Geometrija Za 1 Razred Matematicke Gimnazije

Milan Mitrović Srđan Ognjanović Mihailo Veljković Ljubinka Petković Nenad Lazarević

za prvi razred Matematičke gimnazije

Milan Mitrović Srđan Ognjanović Mihailo Veljković Ljubinka Petković Nenad Lazarević

Geometrija za I razred Matematičke gimnazije Udžbenik sa zbirkom zadataka Drugo dopunjeno izdanje

Beograd 1998

Autori: Milan Mitrović, mr Srđan Ognjanović, mr Mihailo Veljković, Ljubinka Petković, Nenad Lazarević, profesori Matematičke gimnazije u Beogradu GEOMETRIJA ZA PRVI RAZRED MATEMATIČKE GIMNAZIJE Drugo dopunjeno izdanje

Izdavač: "KRUG", Beograd Za izdavača: Marijana Ivanović Recenzenti: dr Dragoslav Ljubić, docent Matematičkog fakulteta u Beogradu dr Rade Doroslovački, profesor Tehničkog fakulteta u Novom Sadu Obrada na računaru: Milan Mitrović Korektura: autori Korice: Milan Mitrović

Predgovor Ova knjiga napisana je prema nastavnom planu i programu za predmet geometrija, za prvi razred Matematičke gimnazije u Beogradu. Formalno, gradivo je izloženo tako da se ne oslanja na prethodno znanje iz geometrije. Prva dva poglavlja vezana su za aksiomatsko uvođenje geometrije. Detaljno se izučavaju posledice aksioma incidencije i paralelnosti, dok se kod preostalih grupa aksioma posledice uglavnom ne dokazuju. Treće i peto poglavlje odnose se na podudarnost a šesto na njenu primenu u konstruktivnim zadacima. U četvrtom poglavlju uvede se vektori i dokazuje se Talesova teorema. U sedmom poglavlju razmatraju se izometrijske transformacije, i izvršena je njihova klasifikacija. Osmo i deveto poglavlje odnose se na sličnost i inverziju, a deseto predstavlja uvod u trigonometriju, i to samo pravouglog trougla. Na kraju većine poglavlja dat je izvestan broj zadataka za vežbu. Među njima ima i zadataka sa takmičenja mladih matematičara, kao i tvrđenja koja imaju i svoj istorijski značaj. Grupa raznih zadataka nalazi se na kraju knjige. U tom poglavlju zadaci namerno nisu poređani po oblastima, ali često težim zadacima prethode pomoćni. Kod određenih poznatih teorema i problema, date su i kratke istorijske napomene, što čini nam se, pomaže učenicima da sagledaju razvoj geometrije kroz vekove. Posebno se zahvaljujemo recenzentima dr Dragoslavu Ljubiću i dr Radetu Doroslovačkom. Takođe se zahvaljujemo i svima koji su, na bilo koji način doprineli izgledu udžbenika, a naročito dr Zoranu Lučiću i mr Predragu Janičiću koji su pročitali delove rukopisa, i pomogli sa nizom korisnih primedbi i sugestija.

Autori

Predgovor drugom izdanju Drugo izdanje dopunjeno je sa dve nove glave: Rešenja zadataka i Dodatak. Prva od tih glava sadrži rešenja i uputstva određenog broja karakterističnih zadataka. Napominjemo da ti zadaci nisu po pravilu najteži u knjizi. Glava Dodatak sadrži teoreme i dokaze teorema, koje svojim sadržajem ili težinom opterećuju osnovni deo knjige. Na taj način rasterećen je redovni deo udžbenika, a ostavljena je mogućnost da se pročitaju izostavljeni delovi. Oznaka * u redovnom delu udžbenika ukazuje na Dodatak. Na kraju je dat i Indeks, koji može čitaocu pomoći u lakšem nalaženju uvedenih pojmova. Takođe, ispravljene su uočene greške iz prethodnog izdanja. Zahvaljujemo se recenzentima dr Dragoslavu Ljubiću i dr Radetu Doroslovačkom, kao i svima koji su doprineli poboljšanju ovog udžbenika u odnosu na prvo izdanje.

Autori

Sadržaj

I Uvod u geometriju

1

1.1 Deduktivni i induktivni metod zaključivanja 1.2 Osnovni pojmovi i osnovna tvrđenja u geometriji 1.3 Kratak istorijski pregled razvoja geometrije. Peti Euklidov postulat

1 3 4

II Euklidska geometrija

8

2.1 Aksiome incidencije 2.2 Aksiome rasporeda 2.3 Aksiome podudarnosti 2.4 Aksioma neprekidnosti 2.5 Aksioma paralelnosti (Plejferova aksioma) Zadaci

9 12 19 20 24 29

III Podudarnost

32

3.1 Izometrijska transformacije 3.2 Relacija podudarnosti figura 3.3 Podudarnost duži

32 37 38

3.4 Podudarnost uglova, pravi uglovi, relacija normalnosti pravih 3.5 Podudarnost trouglova 3.6 Uglovi na transverzali. Zbir uglova u trouglu 3.7 Nejednakost trougla 3.8 Četvorougao, paralelogram, srednja linija trougla 3.9 Značajne tačke trougla Zadaci

39 43 47 52 54 59 66

IV Vektori

73

4.1 Definicija vektora. Sabiranje vektora 4.2 n-ti deo vektora. Množenje vektora racionalnim skalarom 4.3 Proizvod vektora realnim skalarom 4.4 Vektori u euklidskoj geometriji Zadaci

73 78 84 87 91

V Daljnja primena podudarnosti

94

5.1 Primena podudarnosti na krug 5.2 Centralni i periferijski ugao kruga 5.3 Tangentni četvorougao 5.4 Tetivni četvorougao Zadaci 5.5 Relacija upravnosti prave i ravni. 5.6 Diedar. Ortogonalnost ravni 5.7 Ugao prave prema ravni. Ugao dveju mimoilaznih pravih Zadaci

94 96 101 102 105 113 115 117 120

VI Konstrukcija ravnih figura

122

Konstrukcija ravnih figura Zadaci

122 129

VII Izometrijske transformacije ravni. Klasifikacija

134

7.1 Direktne i indirektne izometrijske transformacije 7.2 Osna refleksija 7.3 Predstavljanje izometrija ravni pomoću osnih refleksija 7.4 Pramenovi pravih u ravni 7.5 Centralna rotacija 7.6 Centralna simetrija 7.7 Translacija 7.8 Klizajuća refleksija 7.9 Klasifikacija izometrija ravni Zadaci

134 135 140 142 144 148 150 154 157 158

VIII Sličnost

165

8.1 Razmera duži. Talesova teorema 8.2 Homotetija 8.3 Transformacije sličnosti. Sličnost figura 8.4 Sličnost trouglova 8.5 Harmonijska spregnutost parova tačaka. Apolonijev krug 8.6 Neke karakteristične teoreme 8.7 Potencija tačke u odnosu na krug Zadaci

165 173 176 179 182 186 192 196

IX Inverzija

204

9.1 Definicija i osnovne osobine inverzije 9.2 Apolonijevi problemi o dodiru krugova Zadaci

204 209 212

Razni zadaci

215

Rešenja zadataka

228

Indeks

267

Literatura

274

Glava I

Uvod u geometriju

1.1 Deduktivni i induktivni metod zaključivanja U nižim razredima osnovne škole upoznali smo se sa mnogim geometrijskim pojmovima kao što su npr. trougao, krug, prav ugao, itd. Kasnije smo naučili i mnoga tvrđenja: stavove o podudarnosti trouglova, Pitagorinu i Talesovu teoremu. U početku, tvrđenja nismo dokazivali, već smo zaključke izvodili na osnovu niza pojedinačnih primera. Taj način zaključivanja naziva se induktivni metod. Induktivni metod (lat. inductio uvođenje) je dakle, način rasuđivanja kod koga od pojedinačnih dolazimo do opštih zaključaka. U višim razredima sve veći broj tvrđenja smo počeli dokazivati. Kroz te dokaze prvi put smo se sreli sa tzv. deduktivnim načinom zaključivanja ili dedukcijom. Dedukcija (lat. deductio izvođenje) je način rasuđivanja u kojem se od opštih dolazi do pojedinačnih zaključaka. Dakle, ideja kod ove metode je da dokazivanjem izvedemo opšti zaključak, pa ga zatim primenjujemo u pojedinačnim slučajevima. Kako kod induktivnog metoda ne možemo proveriti sve slučajeve, jer ih obično ima beskonačno mnogo, on može dovesti i do pogrešnih zaključaka. Deduktivnom metodom dolazimo do uvek tačnih zaključaka, ukoliko su pretpostavke koje koristimo u dokazu tačne. Na sledećem primeru analizirajmo oba pomenuta metoda. Želimo da dođemo do zaključka: •

Svaki ugao nad prečnikom kruga je prav.

1

2

I Uvod u geometriju

Ako bismo primenjivali induktivni metod, proveravali bismo da li ova tvrdnja važi u nekim pojedinačnim slučajevima, kao što je npr. slučaj kada je teme ugla središte polukruga, itd. Naravno, ako bismo na osnovu tih pojedinačnih primera izveli opšti zaključak, ne bismo mogli biti sigurni da ipak, u nekom slučaju koji nismo proverili, ovo tvrđenje ne važi. Primenimo sada deduktivni metod:

L

Neka je AB prečnik kruga sa centrom O, i L proizvoljna tačka tog kruga različita od A i B. Dokažimo da je ugao ALB prav. Kako je OA≅ OB≅ OL sledi A da su trouglovi AOL i BOL jednakokraki pa je ∠ALO≅ ∠LAO=α i ∠BLO≅ ∠LBO=β. Tada je ∠ALB=α+β. Zbir uglova u trouglu ALB je 180o pa je 2α+2β=180o . Iz toga sledi da je ∠ALB=α+β =90o.

O

B

Razmotrimo prethodni dokaz. U njemu smo koristili sledeća dva tvrđenja: •

Naspram podudarnih stranica u trouglu su podudarni uglovi.

•

Zbir uglova u trouglu je 180o.

Takođe, koristili smo pojmove kao što su jednakokraki trougao, podudarnost uglova itd., a u samom iskazu tvrđenja, i pojmove periferijski ugao, prav ugao, krug i prečnik kruga. Da bismo bili sigurni da je tvrđenje koje smo dokazivali tačno moramo znati i da su tvrđenja koja koristimo u dokazu tačna. Dakle, u ovom slučaju pretpostavljamo da smo već dokazali pomenuta dva tvrđenja i da smo uveli sve pomenute pojmove. Jasno je da se ovakav problem može postaviti i kod svakog drugog tvrđenja, pa i kod ovih navedenih. To zahteva određenu sistematizaciju cele geometrije. Postavlja se, međutim, pitanje od čega početi, ako se u dokazu svakog tvrđenja, moraju opet koristiti ranije dokazana. Tako dolazimo do potrebe za polaznim tvrđenjima, što ćemo razmotriti u narednom odeljku. Na osnovu svega iznetog, jasno je da ćemo se u daljem izlaganju geometrije koristiti isključivo deduktivnim metodom. Induktivni metod nam eventualno može poslužiti samo da naslutimo neke činjenice. Ali i u

I Uvod u geometriju

3

tom slučaju je neophodno da ih dokažemo tj. da primenimo deduktivni metod.

1.2 Osnovni pojmovi i osnovna tvrđenja u geometriji U nekoj teoriji, kao što je geometrija, pri svakom uvođenju novog pojma, što činimo definicijom, taj pojam opisujemo nekim već poznatim pojmovima. Ali i te poznate pojmove opet smo morali uvesti preko nekih ranije poznatih. Dakle, neke od njih moramo prihvatiti kao osnovne ili polazne i pri tome ih ne definišemo. Veze među pojmovima, kao i njihova odgovarajuća svojstva, dati su iskazima koje zovemo tvrđenja teorije. U želji da ispitamo da li neko tvrđenje važi pozivamo se na neka druga tvrđenja, za koja je takođe potrebno dokazati da važe. Jasno je da se, ukoliko bismo ovako nastavili, proces dokazivanja nikada ne bi završio. Zbog toga smo prinuđeni da neka od tih trvrđenja proglasimo za polazna (osnovna) i da ih ne dokazujemo. Ta polazna tvrđenja zovemo aksiome a ona iz njih izvedena teoreme te teorije. Formalno, dokaz nekog tvrđenja τ je niz tvrđenja koja logički slede jedna iz drugih, od kojih je svako ili aksioma ili iz aksioma izvedeno tvrđenje, a poslednje baš τ. Iako nije jednoznačno određen, izbor aksioma ne može biti proizvoljan. Pri tom izboru naročito treba voditi računa da te aksiome ne dovode do protivrečnih tvrđenja. To znači da izbor aksioma treba da bude takav, da u tako zasnovanoj teoriji ne postoji neko tvrđenje za koje su i ono i njegova negacija teoreme u toj teoriji. Takođe, potrebno je imati dovoljan broj aksioma da bi se za svako tvrđenje, koje se može formulisati u datoj teoriji, moglo utvrditi da li važi ili ne važi; tj. da je za svako tvrđenje ili ono ili njegova negacija teorema u toj teoriji. Za sistem aksioma koji zadovoljava prvi zahtev kaže se da je neprotivrečan, a za onaj koji zadovoljava drugi zahtev kaže se da je potpun. Pri izboru aksioma treba se rukovoditi i trećim zahtevom da je sistem aksioma minimalan, tj da se nijedna aksioma ne može izvesti iz ostalih, ali on za nas neće biti obavezujući. U narednoj glavi počećemo sa strogim deduktivnim zasnivanjem euklidske geometrije; polazeći od osnovnih pojmova i aksioma izvodićemo nove pojmove i teoreme. Naravno, zbog težine i obima, taj posao nećemo uvek dosledno do kraja sprovoditi. To, uostalom, i nije cilj ove knjige. Naš zadatak je da, osim proširivanja znanja iz geometrije,

4

I Uvod u geometriju

čitaoca upoznamo sa osnovnim idejama o aksiomatskom zasnivanju neke deduktivne teorije. Takođe, veoma je važno da kroz razmatranje aksiomatskog zasnivanja geometrije, čitalac stekne naviku strogosti u dokazivanju. Potrebno je još istaći da euklidsku geometriju nećemo zasnivati nezavisno od algebre i logike. Dakle, koristićemo pojmove kao što su npr. skup, funkcija, relacija sa svojstvima koja za njih važe; takođe i tzv. pravila izvođenja kao npr. metod svođenja na protivrečnost. Za te matematičke discipline, pri zasnivanju geometrije, kažemo da su pretpostavljene teorije.

1.3 Kratak istorijski pregled razvoja geometrije. Peti Euklidov postulat Istorijski gledano, razvoj geometrije u dobroj je meri povezan sa prethodnim razmatranjem o induktivnoj i deduktivnoj metodi i aksiomatskom zasnivanju geometrije. Geometrijom su se ljudi počeli baviti još u najranijoj istoriji. U početku je to bilo uočavanje karakterističnih oblika kao što su krug ili kvadrat. Na crtežima u pećinama nailazimo na interesovanje ljudi iz prvobitnih zajednica za simetriju likova. U daljem svom razvoju čovek dolazi i do raznih svojstava geometrijskih figura. Uglavnom je to bilo zbog praktičnih potreba kao npr. merenje površine zemljišta - od čega i potiče naziv geometrije. U tom periodu geometrija se razvijala kao induktivna nauka. Do geometrijskih tvrđenja dolazilo se merenjem i proverom na pojedinačnim primerima. U tom smislu razvijena je bila geometrija kod mnogih starih civilizacija kao što su kineska, indijska i naročito egipatska. Preokret u daljem razvoju geometrije i nauke uopšte dogodio se u staroj Grčkoj. Tada se po prvi put u istoriji počeo primenjivati deduktivni metod u geometriji. Prvi geometrijski dokazi vezani su za ime starogrčkog filozofa Talesa iz Mileta (VII-VI v. pre n. e.). Ovaj način razvoja geometrije nastavili su i drugi starogrčki filozofi, među kojima je jedan od najznačajnijih Pitagora sa ostrva Samosa (VI v. pre n. e.). U takvom izgrađivanju geometrije, posle mnoštva dokazanih teorema, pojavila se potreba za sistematizacijom, a kasnije i za uvođenjem

I Uvod u geometriju

5

aksioma. Jedan od prvih pokušaja aksiomatskog zasnivanja geometrije, i iz tog vremena jedini sačuvan, dao je starogrčki matematičar Euklid iz Aleksandrije (III v. pre n. e.) u svom poznatom delu "Elementi" koje se sastoji od 13 knjiga. Polazna tvrđenja on je podelio na aksiome i postulate od kojih su ovi poslednji čisto geometrijskog sadržaja. Neki od njih, doduše u izmenjenom obliku, zadržali su se i do današnjih dana. Ipak, sistem aksioma koji je Euklid dao nije bio potpun, i on sam je u dokazima nekih teorema neke delove previđao kao očigledne i nije ih dokazivao. Navedimo postulate u obliku u kom ih je Euklid dao: I

Pretpostavlja se da je moguće od svake tačke do svake druge tačke konstruisati pravu liniju. II Pretpostavlja se da se svaka prava, sledujući njen pravac, može neograničeno produžavati. III Pretpostavlja se da se u nekoj ravni oko svake njene tačke može opisati krug bilo kojeg poluprečnika. IV Pretpostavlja se da su svi pravi uglovi među sobom podudarni. Za dalji razvoj geometrije veoma veliki značaj imao je peti Euklidov postulat koji u svom originalu glasi: V Ako neka prava presecajući druge dve p komplanarne prave obrazuje sa njima sa iste strane dva unutrašnja ugla q kojima je zbir manji od zbira dva prava r ugla, tada se te dve prave, neograničeno produžene seku sa one strane sečice sa koje je taj zbir uglova manji od zbira dva prava ugla. Zbog svoje složenosti u iskazu a i u značenju, mnogi matematičari u kasnijem periodu smatrali su da ovo poslednje tvrđenje ne treba uzimati kao polazno, već da se ono može iz ostalih aksioma i postulata dokazati kao teorema. Zaista, u poređenju sa drugim Euklidovim polaznim tvrđenjima peti postulat je bio znatno složeniji i ovo pitanje zaokupilo je mnoge matematičare u narednih dvadeset vekova, a sve do XIX veka taj problem nije bio rešen. U mnogim takvim pokušajima, u dokazu petog postulata korišćena su neka tvrđenja čiji je dokaz izostavljan. Kasnije se pokazalo da se ta tvrđenja ne mogu dokazati iz ostalih aksioma i postulata ako se iz njihovog spiska izostavi peti postulat. Dakle, kao što iz njih sledi peti postulat, tako i ona slede iz petog postulata. (Naravno uz

6

I Uvod u geometriju

korišćenje preostalih polaznih tvrđenja.) Zbog toga njih zovemo ekvivalenti petog Euklidovog postulata. Navešćemo neke primere tih ekvivalenata: 1. Ako je ABCD četvorougao kod koga su uglovi pri ivici BC pravi, a ivice AB i CD podudarne tada su uglovi kod druga dva temena takođe pravi (Đ. Đ. Sakeri 1667-1733, italijanski matematičar). 2. Prava normalna na jedan krak oštrog ugla seče drugi krak. 3. Oko svakog trougla može se opisati krug. 4. Ako su kod nekog četvorougla tri ugla prava tada je i četvrti ugao prav (J. H. Lambert 1728-1777, francuski matematičar). 5. Zbir uglova u trouglu jednak je opruženom uglu (A. M. Ležandr 1752-1833, francuski matematičar). 6. Za svaku pravu i tačku van nje u ravni njima određenoj postoji najviše jedna prava koja sadrži tu tačku i disjunktna je sa tom pravom (Dž. Plejfer 1748-1819, engleski matematičar). Dakle, koristeći svako od ovih tvrđenja može se dokazati peti postulat, ali vremenom se pokazalo da se ni ona ne mogu dokazati bez petog postulata. Za nas će kasnije od velikog značaja biti Plejferov ekvivalent. Sledeći prelomni trenutak u razvoju geometrije bio je pojava neeuklidskih geometrija u XIX veku. Njihovo otkriće vezuje se za ruskog matematičara Nikolaja Ivanoviča Lobačevskog (1792-1856). On je takođe razmatrao problem petog Euklidovog postulata. Polazeći od njegove negacije, odnosno negacije Plejferovog ekvivalentnog tvrđenja, Lobačevski je krenuo od pretpostavke da kroz tačku van neke prave postoje bar dve prave koje su sa njom disjunktne i komplanarne. U želji da dođe do kontradikcije, čime bi peti postulat bio dokazan, izgradio je čitav niz novih tvrđenja. Jedno od njih je npr. da je zbir uglova u trouglu uvek manji od opruženog. Ali ni jedno od njih nije bilo u kontradikciji sa ostalim aksiomama ako se iz spiska isključi peti postulat. To ga je navelo na ideju da je moguće izgraditi jednu potpuno novu geometriju koja je neprotivrečna i koja se bazira na svim Euklidovim aksiomama osim što je peti postulat zamenjen njegovom negacijom. Po njemu danas tu geometriju nazivamo geometrija Lobačevskog. Nezavisno od njega do istih rezultata došao je i mađarski matematičar Janoš Boljaj (1802-1860).

I Uvod u geometriju

7

Potpunu potvrdu ove ideje o neprotivrečnosti te nove geometrije dao je krajem prošlog veka francuski matematičar Anri Poenkare (1854-1912), tek posle smrti Lobačevskog. On je izgradio model na osnovu koga je pokazao da bi eventualna protivrečnost geometrije Lobačevskog značila i protivrečnost euklidske geometrije. Kasnije dolazi do otkrića i drugih neeuklidskih geometrija. Može nam se učiniti čudnim da se u matematici izučavaju dve teorije, euklidska geometrija i geometrija Lobačevskog koje su u suprotnosti jedna sa drugom. Za modernu matematiku je međutim od najveće važnosti da su obe određene sistemima aksioma koji su neprotivrečni i potpuni. Na pitanje: koja od te dve geometrije važi, nema smisla tražiti odgovor u okviru matematike. Naime, to bi se svodilo na pitanje koje aksiome važe, ali njih prihvatamo bez dokaza. Naravno, pitanje može glasiti kakva je geometrija prostora u fizičkom smislu i kako nju možemo što bolje opisati aksiomama. Radi odgovora na to pitanje potrebna je fizička interpretacija osnovnih geometrijskih pojmova. Npr. pravu je najprirodnije interpretirati kao svetlosni zrak. U tom smislu pokazuje se da fizički prostor nije euklidski. On nije određen ni geometrijom Lobačevskog. Pojavom Ajnštajnove teorije relativiteta (A. Ajnštajn (1879-1955), nemački fizičar) početkom ovog veka, pokazalo se da je u kosmičkom prostoru pogodnije koristiti neeuklidsku geometriju sa promenljivom zakrivljenošću. Tako možemo reći, da se geometrija vasione lokalno menja, u zavisnosti od blizine neke mase i njene količine. Iako je sistem aksioma euklidske geometrije u to vreme, krajem XIX i početkom XX veka, bio skoro potpuno izgrađen, prvi korektan potpun sistem dao je nemački matematičar David Hilbert (1862-1943) u svojoj čuvenoj knjizi "Osnovi geometrije" objavljenoj 1899. godine. Veoma sličan sistem aksioma i mi ćemo koristiti u daljnjem izlaganju. Moramo na kraju istaći da razvoj geometrije ovim nikako nije završen. Naprotiv, nasuprot uobičajenoj predstavi, geometrija i matematika uopšte se u ovom veku razvijaju u još bržem tempu nego ranije. I danas su mnogi problemi u matematici, a u geometriji posebno iz oblasti neeuklidskih geometrija, još uvek otvoreni za rešavanje.

Glava II

Euklidska geometrija

U ovoj glavi počećemo sa aksiomatskim zasnivanjem euklidske geometrije. Kako smo već ranije ustanovili, potrebno je najpre uvesti polazne pojmove i polazna tvrđenja - aksiome. Neka je S neprazan skup čije ćemo elemente zvati tačkama i označavati sa A, B, C, ... Određene podskupove skupa S zvaćemo pravama i označavati sa a, b, c, ... a određene podskupove zvaćemo ravnima i označavati sa α, β, γ, ... Osim ovih, polazni pojmovi biće i dve relacije na skupu S. Prva je troelementna i naziva se relacija između. Da su tačke A, B, C u toj relaciji označavaćemo sa B(A,B,C) i čitati: tačka B je između tačaka A i C. Druga relacija je četvoroelementna i naziva se relacija podudarnosti parova tačaka; činjenicu da su tačke A, B, C, D u toj relaciji označavaćemo sa (A,B)≅ (C,D) i čitati: par tačaka (A,B) je podudaran sa parom (C,D). Pomoću ovih polaznih pojmova uvodimo i naredne izvedene pojmove: Definicija. Za tri ili više tačaka kaže se da su kolinearne ako postoji prava koja ih sadrži. Inače su one nekolinearne. Analogno za četiri i više tačaka kaže se da su komplanarne ako postoji ravan koja ih sadrži. Inače su one nekomplanarne. Za dve ili više pravih kaže se da su komplanarne ako postoji ravan koja ih sadrži. Inače su one nekomplanarne. Definicija. Dve prave se seku ako je njihov presek jedna tačka. Prava i ravan se seku ako je njihov presek jedna tačka. Dve razne ravni se seku ako njihov presek nije prazan skup.

8


9

Definicija. Proizvoljan neprazan podskup skupa S naziva se figura. Figura je ravna ako postoji ravan čiji je ona podskup. Ceo skup S zvaćemo prostor. U svakoj od prethodnih definicija uveli smo po nekoliko pojmova, radi kraćeg zapisa. U daljem tekstu ćemo nekad izostavljati i samu reč "definicija" ali će novi izvedeni pojmovi uvek biti pisani iskošenim slovima. Sada ćemo uvesti i osnovna tvrđenja - aksiome. Po svojoj prirodi njih delimo u pet grupa: I Aksiome incidencije. (osam aksioma) II Aksiome rasporeda. (šest aksioma) III Aksiome podudarnosti. (sedam aksioma) IV Aksioma neprekidnosti. (jedna aksioma) V Aksioma paralelnosti. (jedna aksioma)

2.1 Aksiome incidencije Kako prave i ravni, kao polazni pojmovi predstavljaju odgovarajuće skupove tačaka, među tačkama pravama i ravnima mogu se razmatrati odgovarajuće skupovne relacije: ∈ i ⊂. Te relacije zvaćemo relacije incidencije. Dakle u slučaju kada tačka pripada nekoj pravoj ili kada je prava podskup neke ravni, rećećemo i da su tačka i prava, odnosno prava i ravan incidentne. Aksiome ove grupe opisuju osnovne karakteristike upravo tih relacija: I1 Za svake dve razne tačke postoji tačno jedna prava koja ih sadrži. I2 Svaka prava sadrži bar dve tačke. I3 Za svake tri tačke postoji bar jedna ravan koja ih sadrži. I4 Za svake tri nekolinearne tačke postoji tačno jedna ravan koja ih sadrži. I5 Svaka ravan sadrži bar tri tačke. I6 Ako dve razne tačke neke prave pripadaju nekoj ravni tada i sve tačke te prave pripadaju toj ravni.

10


I7 Ako su dve ravni incidentne sa nekom tačkom, tada su one incidentne sa bar još jednom tačkom. I8 Postoje četiri nekomplanarne tačke. Na osnovu aksiome I1, svaka prava određena je sa dve svoje razne tačke. Tako ćemo pravu p određenu tačkama A i B zvati i prava AB, a označavati sa p(A,B). Analogno, ravan α određenu nekolinearnim tačkama A, B, C zvaćemo i ravan ABC, a označavati sa α(A,B,C). U slučaju kad za pravu p i ravan α važi p⊂α, rećićemo takođe, da prava p pripada ravni α ili da ravan α sadrži pravu p, iako je p skup pa bismo morali koristiti reč "podskup" umesto reči "pripada". Ali ovaj način izražavanja je standardan u geometriji, pa ga zato i ovde koristimo. Izvedimo neka tvrđenja kao prve posledice aksioma incidencije: Teorema I1 . Ako tačka A ne pripada pravoj p tada postoji jedinstvena ravan koja sadrži tačku A i pravu p. Dokaz: Prema aksiomi I2, prava p sadrži bar dve tačke, označimo ih sa B i C. Ako bi A tačke A, B, C bile kolinearne one bi B pripadale jednoj pravoj. Međutim, na C p osnovu aksiome I1, tačke B i C određuju α jedinstvenu pravu i to je dakle prava p. Ali tada bi tačka A pripadala pravoj p što je isključeno u iskazu teoreme. Dakle, tačke A, B, C su nekolinearne pa, na osnovu aksiome I4, postoji tačno jedna ravan koja ih sadrži, označimo je sa α. Kako tačke B i C prave p pripadaju ravni α to, na osnovu aksiome I6, i sve tačke prave p pripadaju toj ravni. Dakle, ravan α sadrži tačku A i pravu p. Dokažimo još da je takva ravan jedinstvena. Ako neka ravan β sadrži tačku A i pravu p, tada ona sadrži tačke A, B, C pa se, na osnovu aksiome I4, ne može razlikovati od α. q Teorema I2 . Ako dve razne ravni imaju zajedničku tačku tada je njihov presek prava.


11

Dokaz: Neka dve razne ravni α i β imaju zajedničku tačku K. Tada one, prema aksiomi K I7, imaju bar još jednu zajedničku tačku, označimo je sa L. Prema aksiomi I1, tačke K i L L određuju pravu KL, čije sve tačke, na β osnovu I6, pripadaju ravnima α i β pa time i α njihovom preseku. Dokažimo još da van prave KL nema drugih presečnih tačaka ravni α i β. Zaista ako bi zajednička tačka M ravni α i β bila van prave KL, tada bi na osnovu prethodne teoreme postojala jedinstvena ravan koja sadrži tačku M i pravu KL. To, međutim, nije moguće, jer su po pretpostavci α i β razne ravni. Dakle, presek ravni α i β je prava KL. q Definicija. Prave p i q su mimoilazne ako ne postoji ravan koja ih sadrži tj. ako su nekomplanarne. * Navedimo sada jedan jednostavan model u kome su ispunjene sve aksiome incidencije. Skup S sastoji se od samo četiri elementa, tj. četiri tačke: S={A,B,C,D}. Svi mogući tročlani podskupovi predstavljaju ravni u ovom modelu, a svi dvočlani podskupovi prave. Lako je proveriti da su sve aksiome u ovakvoj interpretaciji zadovoljene. Tako, na primer, svake dve ravni imaju tačno dve zajedničke tačke pa je time aksioma I7 ispunjena. Jasno je, međutim, da u ovakvoj geometriji postoje samo četiri ravni, svaka prava ima samo po dve tačke itd., što ne odgovara našoj ideji prostora, u kome ima beskonačno mnogo tačaka. Ali ovaj model pokazuje da samo na osnovu aksioma incidencije i ne možemo dokazati da postoji više od četiri tačke. Takođe, još nismo u mogućnosti da uvedemo pojmove kao što su: poluprava, trougao, kvadrat, krug, itd. Za to su potrebne nove aksiome.

Zadaci 1. Ako su A, B, C tri nekolinearne tačke, dokazati da su svake dve od te tri tačke različite. 2. Dokazati da postoje bar tri nekolinearne tačke.

12


3. Ako su p, q, r tri razne prave od kojih se svake dve prave seku, ali ne postoji tačka koja pripada svim trima pravama, dokazati da su p, q, r komplanarne. 4. Dokazati da za svake dve prave koje se seku postoji jedinstvena ravan koja ih sadrži. 5. Dokazati da mimoilazne prave nemaju zajedničkih tačaka. 6. Ako su p i q mimoilazne prave i A tačka van njih, dokazati da ne postoji više od jedne prave koja sadrži tačku A i seče prave p i q. 7. Dokazati da postoje prava i ravan koje se seku.

2.2 Aksiome rasporeda Ove aksiome opisuju osnovne karakteristike relacije "između" koju smo već uveli kao osnovni pojam. II1 Ako je B(A,B,C) tada su A, B, C tri razne kolinearne tačke. A

B

C

II2 Ako je B(A,B,C) tada je i B(C,B,A). II3 Ako je B(A,B,C) tada nije B(A,C,B). II4 Za svake dve tačke A, B na pravoj AB postoji tačka C takva da je B(A,B,C). II5 Ako su A, B, C tri razne kolinearne tačke tada važi bar jedna od relacija: B(A,B,C), B(A,C,B), B(C,A,B). II6 (Pašova1 aksioma) Ako su A, B, C tri nekolinearne tačke i l prava ravni ABC koja ne sadrži tačku A i seče pravu BC u tački P takvoj da je B(B,P,C), tada prava l seče ili pravu AC u tački Q

1

M. Paš (1843-1930), nemački matematičar, uveo je raspored tačaka aksiomatski u svojim "Predavanjima o novijoj geometriji" iz 1882. g. Kasnije su to upotpunili italijanski matematičar Đ. Peano (1858-1932), u "Načelima geometrije", a zatim nemački matematičar D. Hilbert (1862-1943) u svojoj čuvenoj knizi "Osnovi geometrije" iz 1899 g.


13

takvoj da je B(A,Q,C) ili pravu AB u tački R takvoj da je B(A,R,B). A

B

l

P

C

Cilj našeg izlaganja neće biti da detaljno izvedemo sve posledice aksioma rasporeda. Za razliku od posledica prethodne grupe aksioma ovde bi njihovo izvođenje bilo veoma složeno. Tako ćemo se zadržati samo na jednostavnijim posledicama, dok ćemo neke složenije samo navesti bez dokaza. * Teorema II1 . Za svake dve razne tačke A i B postoji tačka C takva da je: B(A,C,B).

Dokaz: Na osnovu posledice prve grupe F aksioma postoje nekolinearne tačke. E Postoji dakle bar jedna tačka van prave AB, označimo je sa D. Sada, prema D aksiomi II4, postoji tačka E takva da je B(B,D,E) i zatim tačka F takva da je A B(A,E,F). A, B, E su nekolinearne tačke, C B jer bi inače tačka D bila na pravoj AB. Takođe, prava FD ne sadrži tačku A, jer bi u suprotnom tačke F, D, A, E bile kolinearne, pa time i tačka B sa njima. To nije moguće jer opet vodi zaključku da tačka D pripada pravoj AB. Dalje, tačke D i F pripadaju ravni ABE pa i prava FD. Sada možemo primeniti Pašovu aksiomu na tačke A, B, E i pravu FD. Naime prava FD seče pravu EB u tački D takvoj da je B(B,D,E) pa ona seče pravu AE u tački F takvoj da je B(A,F,E) ili pravu AB u nekoj tački C takvoj da je B(A,C,B). Ali na osnovu prethodne teoreme kako je B(A,E,F) ne može biti i B(A,F,E). Dakle, prava FD seče pravu AB u nekoj tački C takvoj da je B(A,C,B). q Sada smo u mogućnosti da uvedemo niz novih pojmova: Definicija. Neka su A i B dve razne tačke. Skup svih tačaka X takvih da je B(A,X,B) naziva se otvorena duž AB u oznaci (AB).

14


Definicija. Unija otvorene duži AB i tačaka A i B naziva se zatvorena duž u oznaci [AB]. Tačke A i B su njene krajnje tačke. A

X

B

Kako ćemo od sada koristiti uglavnom pojam zatvorene duži, nadalje ćemo zatvorenu duž nazivati kraće duž. Definicija. Neka su A, B, S tačke neke prave p i A, B različite od S. Kažemo da su tačke A i B sa raznih strana tačke S u oznaci A,B÷S ako je B(A,S,B) a da su inače sa iste strane tačke C u oznaci A,B S. A

S

B

p

A

B

S

p

U vezi sa prethodnom relacijom, iskažimo jednu teoremu koju nećemo dokazivati. Teorema II2 . Relacija "sa iste strane tačke" je relacija ekvivalencije. Čitaocu preporučujemo da dokaže refleksivnost i simetričnost. Tranzitivnost je nešto složenija za dokazivanje. Definicija. Neka su A i B dve razne tačke. Skup svih tačaka X takvih da su B,X A uključujući i tačku A naziva se poluprava AB sa početnom tačkom A i označava se sa (AB. A

B

X

Na osnovu definicija poluprave i relacije sa iste strane tačke jasno je da je poluprava podskup prave. Naime tačka X iz prethodne definicije mora biti kolinearna sa A i B. Dalje bismo mogli dokazati da je svaka tačka neke prave početna za tačno dve poluprave na toj pravoj; zatim, da je unija te dve poluprave prava, itd. To sve, međutim, nećemo ovde činiti. Napomenimo samo da bismo u dokazima koristili prethodnu teoremu. Pokazuje se naime, da su odgovarajuće dve poluprave bez početne tačke dve klase ekvivalencije relacije sa iste strane tačke na nekoj pravoj. Definicija. Unija dve različite poluprave p i q sa zajedničkim početkom O naziva se ugaona linija, sa temenom O u oznaci pq.


15

q

O

A

p

B

C

Definicija. Ako su A, B, C tri nekolinearne tačke unija [AB]∪[BC]∪[CA] naziva se trougao ABC i označava sa ∆ABC. Tačke A, B, C su temena, a duži AB, BC, CA ivice ili stranice tog trougla. Sada pomoću pojma trougla Pašovu aksiomu možemo iskazati u zgodnijem obliku: Teorema II3 . Ako prava koja je u ravni trougla ABC ne sadrži ni jedno od temena A, B, C i seče jednu njegovu ivicu, tada ona seče tačno još jednu njegovu ivicu. Dokaz: Direktno na osnovu Pašove aksiome i definicije trougla. q A1 A3 Definicija. Ako su A1, A2, ... , An tačke neke ravni, od kojih nikoje tri susedne u nizu nisu A2 kolinearne, unija [A1A2]∪[A2A3]∪... ∪[An-1An] naziva se poligonalna linija ili ravna izlomljena A4 A5 linija A1A2...An. Tačke A1, A2, ... , An su temena a duži A1A2, A2A3, ... , An-1An njene ivice ili stranice. A1 i An su njene krajnje tačke.

Dve ivice poligonalne linije sa zajedničkim temenom zovu se susedne ivice. Ako ivice poligonalne linije nemaju drugih zajedničkih tačaka, sem što susedne imaju zajedničko teme, za poligonalnu liniju kažemo da je prosta. Definicija. Poligonalna linija A1A2...An+1 (n≥3) kod koje susedne ivice ne pripadaju istoj pravoj i kod koje se krajnje tačke poklapaju (tj. A1=An+1) naziva se mnogougao ili poligon. Mnogougao sa n temena A1, A2, ... , An koja su sva različita naziva se n-tougao A1A2...An. Duži čije su krajnje tačke A1, A2, ..., An, a nisu ivice, zovu se dijagonale tog n-tougla.

16


A2 A1

A4

A5

A2

A4

A3 A6

A1

A5

A3

Jasno je da se pojam trougla uklapa u ovu opštu definiciju za n=3. Inače mnogougao je prost ako je odgovarajuća poligonalna linija prosta. Definicija. Neka su A, B dve tačke i p prava neke ravni pri čemu A,B∉p. Kažemo da su tačke A i B sa raznih strana prave p u oznaci A,B÷p ako duž AB seče pravu p. Inače su A i B sa iste strane prave p u oznaci A,B p. A

A B

p

p B

A

X π

p

Definicija. Neka je p prava neke ravni π i A tačka te ravni van prave p. Skup svih tačaka X ravni takvih da je A,X p, zajedno sa tačkama prave p naziva se poluravan sa graničnom (početnom ili rubnom) pravom p u oznaci (pA. Ako je prava p određena tačkama B i C, tu poluravan označavaćemo i sa (BCA. Pomoću pojmova duži i poligonalne linije, možemo uvesti još neke pojmove: Definicija. Figura Φ je konveksna ako za svake dve tačke A i B te figure važi: [AB]⊂ Φ. Inače je figura nekonveksna.


17

A A

B

B

Lako se dokazuje da su ravan, prava, poluravan konveksne figure. Definicija. Podskup Φ prostora S je povezan skup ili oblast ako za svake dve tačke skupa Φ postoji poligonalna linija čije su one krajnje tačke, a koja je podskup skupa Φ. B

A

Φ

A

p

p

O

q '

q

p O B

c

q

b

O

q a

p

O

O

q

p ' p

Na osnovu definicije jasno je da je svaki konveksan skup ujedno povezan. Zaista poligonalna linije iz definicije je u tom slučaju uvek duž. Obratno naravno ne važi; povezan skup ne mora biti konveksan. Može se dokazati, ali ne tako jednostavno, da ugaona linija u ravni kojoj pripada određuje dve oblasti. Uniju svake od tih oblasti sa ugaonom linijom zovemo ugao. Ako je pq ugaona linija sa temenom O, ugao njom određen zvaćemo ugao pq i označavamo sa ∠pOq ili ∠pq. Ako poluprave p i q ne pripadaju istoj pravoj konveksni ugao pq označavaćemo i sa ∠AOB; gde su A i B proizvoljne tačke na polupravama p i q redom, različite od tačke O. Poluprave p i q zovu se kraci a tačka O teme tog ugla. Ako poluprave p i q pripadaju jednoj pravoj i p≠q, ugao je opružen. Ukoliko se ne radi o opruženom uglu ugaona linija određuje dva ugla od

18


kojih je jedan konveksan a drugi nekonveksan. Dva ugla su susedna ako imaju jedan zajednički krak. Susedni uglovi čija druga dva kraka određuju opruženi ugao nazivaju se naporedni uglovi. Uglovi ∠pOq i ∠p'Oq' su unakrsni ako im po dva kraka određuju dva opružena ugla i presek im je tačka O. Slično kao za ugaonu liniju, može se dokazati da trougao u ravni kojoj pripada određuje dve oblasti. Jedna je konveksna a druga nekonveksna. Konveksnu oblast zovemo unutrašnja oblast trougla a onu drugu spoljašnja oblast trougla. Trougaona površ je unija trougla i njegove unutrašnje oblasti. Trougaona površ može se definisati i kao presek poluravni: (BCA , (ACB , (ABC. Uglovi ∠BAC, ∠CBA, ∠ACB zovu se unutrašnji uglovi trougla ABC. A

A2 A1

B

C

A4 A3

A6

A5

Može se dalje dokazati da mnogougao, ukoliko je prost, određuje u ravni kojoj pripada dve oblasti. Unutrašnja oblast mnogougla je ona koja ne sadrži nijednu pravu. Uniju mnogougla i njegove unutrašnje oblasti zovemo mnogougaona površ. Već na ovom mestu moguće je uvesti orijentaciju ravni. Najpre, trougao ABC kod koga su temena uređena trojka (A,B,C) zvaćemo orijentisanim. Rećićemo da su orijentisani trouglovi ABC i BCA' jedne ravni iste orijentacije ako je A,A' BC i suprotne orijentacije ako je A,A'÷BC. Ubuduće kada budemo razmatrali orijentaciju nekih trouglova podrazumevaćemo da su to orijentisani trouglovi. Trouglovi ABC i A'B'C' neke ravni su isto orijentisani ako postoji niz trouglova: ∆ABC=∆P1P2P3, ∆P2P3P4, ... , ∆Pn-2Pn-1Pn=∆A'B'C' te ravni, u kome je, među susednim A

A'

A'=P C=P

A B B

C

C A'

C'=P

A=P

P4 B=P

članovima, paran broj puta promenjena orijentacija.

B'=P


19

Može se dokazati da je relacija iste orijentacije trouglova u ravni relacija ekvivalencije sa dve klase. Za dva trougla koji nisu u istoj klasi kažemo da su suprotno orijentisani. Svaka od te dve klase ekvivalencije određuje orijentaciju ravni. Intuitivno, jedna je "u smeru kazaljke na satu" - nju ćemo zvati negativna orijentacija ravni a onu drugu pozitivna orijentacija ravni. Može se uvesti i orijentacija među uglovima neke ravni. Dva ugla pOq i p'O'q' neke ravni (A∈p, B∈q, A'∈p', B'∈q'), od kojih nijedan nije opružen, su isto orijentisani ako su: ∗ oba konveksna ili oba nekonveksna i ∆AOB, ∆A'O'B' isto orijentisani; ∗ jedan konveksan i jedan nekonveksan i ∆AOB, ∆A'O'B' suprotno orijentisani; Ako je ∠pOq opružen, on je isto orijentisan kao ∠p'O'q' ako postoji tačka C u uglu pOq tako da su ∠AOC i ∠p'O'q' isto orijentisani. Slično možemo postupiti i kada su oba ugla opružena. B B

A'

B' O' A

O

O'

B'

A

B'

C B

O

A'

A O

O'

A'

Zadaci 1. Ako prava neke ravni, seče dijagonalu nekog četvorougla te ravni i ne sadrži ni jedno njegovo teme, dokazati da ona seče tačno dve ivice tog četvorougla. 2. Ako su P, Q, R unutrašnje tačke ivica BC, AC, AB nekog trougla, dokazati da su one nekolinearne.

20


3. Ako su A, B, C, D četiri kolinearne tačke i ako je B(A,B,C) i B(B,C,D) dokazati da je tada i B(A,B,D). 4. Dokazati da je poluravan konveksna figura. 5. Dokazati da u prostoru postoji više od četiri tačke. 6. Definisati unutrašnje uglove mnogougla.

2.3 Aksiome podudarnosti Aksiome podudarnosti opisuju osnovne karakteristike relacije podudarnosti parova tačaka. Prisetimo se, tu relaciju smo takođe uveli kao polazni pojam. Napomenimo da se ovde još ne radi o podudarnosti duži, iako nas na to intuitivno podseća. Podudarnost duži kao i podudarnost figura uopšte uvešćemo tek kasnije, u narednoj glavi. III1 Ako je (A,B)≅ (C,D) i A=B, tada je i C=D. III2 Za svake dve tačke A i B je (A,B)≅ (B,A). III3 Ako je (A,B)≅ (C,D) i (A,B)≅ (E,F) tada je i (C,D)≅ (E,F). III4 Ako su C i C' tačke otvorenih duži AB i A'B', takve da je (A,C)≅ (A',C') i (B,C)≅ (B',C'), tada je i (A,B)≅ (A',B'). C

A

B

A'

C'

B'

III5 Ako su A i B dve tačke i CX poluprava tada na toj polupravoj postoji tačka D takva da je (A,B)≅ (C,D). A

B

A

B

M

III6 Ako su A, B, C tri nekolinearne tačke i A'B' tačke ruba neke poluravni π, takve da je (A,B)≅ (A',B'), tada u toj poluravni postoji jedinstvena tačka C' takva da je (A,C)≅ (A',C') i (B,C)≅ (B',C').


21

C'

C

π

A

B

A'

B'

III7 Ako su A, B, C i A', B', C' dve trojke nekolinearnih tačaka i D i D' tačke polupravih BC i B'C' takve da je (A,B)≅ (A',B'), (B,C)≅ (B',C'), (A,C)≅ (A',C') i (B,D)≅ (B',D'), tada je i (A,D)≅ (A',D'). A

B

A'

C

D

B'

C'

D'

Navedimo neke posledice aksioma podudarnosti: Teorema III1 . Relacija podudarnosti parova tačaka je relacija ekvivalencije. Dokaz: Na osnovu aksiome III2, za svake dve tačke B i A je (B,A)≅ (A,B). Kako je sada: (B,A)≅ (A,B) i (B,A)≅ (A,B) to je, na osnovu III3, (A,B)≅ (A,B). Dakle, relacija je refleksivna. Neka je (A,B)≅ (C,D). Na osnovu prethodnog je i (A,B)≅ (A,B). Sada, primenom III3, dobijamo (C,D)≅ (A,B), pa je relacija i simetrična. Dokažimo još tranzitivnost. Neka je (A,B)≅ (C,D) i (C,D)≅ (E,F), potrebno je dokazati da je (A,B)≅ (E,F). Ali na osnovu dokazane simetričnosti je (C,D)≅ (A,B), pa tražena relacija sledi na osnovu aksiome III3. q Kao što smo već napomenuli, relaciju podudarnosti figura uvešćemo kasnije i ona će biti predmet proučavanja u narednoj glavi. Prirodno je da ćemo se tom prilikom pozivati upravo na ovu grupu aksioma i njene posledice; između ostalog i na dve naredne teoreme koje ćemo ovde dati bez dokaza. Teorema III2 . Ako su A i B dve tačke i CX poluprava tada na toj polupravoj postoji jedinstvena tačka D takva da je (A,B)≅ (C,D).

22


Teorema III3 . Ako su A, B, C tri razne tačke prave p i A',B' dve tačke prave p' takve da je (A,B)≅ (A',B'), tada postoji jedinstvena tačka C' takva da je (A,C)≅ (A',C') i (B,C)≅ (B',C'). Pri tome, tačka C' pripada pravoj p' i: (i) ako je B(A,C,B), tada je B(A',C',B'). (ii) ako je B(A,B,C), tada je B(A',B',C'). (iii) ako je B(C,A,B), tada je B(C',A',B'). Navešćemo još i dve definicije: Definicija. Kažemo da je uređena n-torka tačaka (A1,A2,...,An) podudarna sa n-torkom (A'1,A'2,...,A'n) u oznaci (A1,A2,...,An)≅ (A'1,A'2,...,A'n) ako je za svako i,k∈{1,2,...,n} (Ai,Ak)≅ (A'i,A'k). Definicija. Neka su A i B dve razne tačke neke ravni α. Skup svih tačaka X te ravni takvih da je (A,B)≅ (A,X), naziva se krug, u oznaci k(A,AB), sa centrom A i čiji je poluprečnik duž AB. Iz same definicije, na osnovu tranzitivnosti B k relacije podudarnosti parova tačaka, jasno je da proizvoljna tačka kruga sa njegovim centrom A određuje poluprečnik tog kruga. X Već na ovom mestu, mogu se na jednostavan način uvesti pojmovi kao što su tangenta, sečica i tetiva kruga, unutrašnja oblast kruga i slično, ali njih ćemo definisati tek u trećoj i u petoj glavi. Može nam se učiniti da su dosadašnje tri grupe aksioma dovoljne za izvođenje svih teorema u euklidskoj geometriji. To, međutim, nije tako. Prisetimo se na primer problema petog Euklidovog postulata. Takođe, za sada nismo u mogućnosti da dokažemo sledeće tvrđenje koje nam na prvi pogled može izgledati jednostavno: ako je p prava a k krug neke ravni i ako je bar jedna tačka prave p u unutrašnjosti kruga k tada p i k imaju bar jednu zajedničku tačku. Ali upravo je ta "očiglednost" razlog što su mnogi u istoriji geometrije previđali potrebu dokazivanja ovog i sličnih tvrđenja.


23

2.4 Aksioma neprekidnosti IV1 (Dedekindova2 aksioma) Neka je otvorena duž AB razložena na uniju dva disjunktna neprazna podskupa U i V. Ako nijedna tačka iz skupa U nije između neke dve dve tačke skupa V i nijedna tačka iz skupa V nije između neke dve tačke skupa U, tada postoji jedinstvena tačka C otvorene duži AB takva da je B(A',C,B') za svako A'∈ U\{C} i svako B'∈ V \{C}. A

A' U

C

B'

B

V

Nećemo se zadržavati na posledicama ove aksiome. Napominjemo da su dokazi tih posledica veoma složeni3. Navešćemo samo dve teoreme bez dokaza. U iskazima tih teorema pominju se pojmovi unutrašnjih i spoljašnjih tačaka kruga koje ćemo, kao što smo već istakli, uvesti kasnije. Teorema IV1 . Ako su p prava i k krug neke ravni i ako je bar jedna tačka prave p u unutrašnjosti kruga k tada p i k imaju bar jednu zajedničku tačku. Teorema IV2 . Ako su k i l dva kruga neke ravni takvi da l ima i unutrašnjih i spoljašnjih tačaka kruga k, tada krugovi k i l imaju bar jednu zajedničku tačku.

2

R. Dedekind (1831-1916), nemački matematičar. Sve do XIX veka matematičari nisu osetili potrebu dokazivanja ovih tvrđenja, kao ni potrebu uvođenja aksioma neprekidnosti. Sam Euklid iz Aleksandrije (III v. pre n. e.) u svojim "Elementima", navodi konstrukciju pravilnog trougla, u kojoj ne dokazuje da se odgovarajući krugovi seku. 3

24


k

k

A

O

l

p B

A

Inače, Dedekindova aksioma se koristi, u nešto drugačijem obliku, kod zasnivanja skupa realnih brojeva. To ukazuje da je moguće izvršiti poznatu obostrano jednoznačnu korespondenciju između skupa tačaka neke prave i skupa realnih brojeva.

2.5 Aksioma paralelnosti (Plejferova aksioma) Postavimo sada sledeće pitanje: ako prava p i tačka A van te prave određuju ravan α, koliki je broj pravih te ravni koje sadrže tačku A a disjunktne su sa pravom p? Intuitivno, naravno jedna. Nas, međutim, zanima šta možemo dokazati na osnovu dosadašnjih aksioma. Na osnovu samo prve četiri grupe aksioma može se dokazati da postoji bar jedna takva prava, ali da ih nema više nije moguće dokazati. Prirodan je zaključak da moramo uvesti aksiomu na osnovu koje bismo se "odlučili" da li je taj broj jedan ili možda veći. Postoje dve mogućnosti: V1. (Plejferova4 aksioma) Ako tačka A ne pripada pravoj p, tada u ravni njima određenoj postoji tačno jedna prava koja sadrži tačku A i disjunktna je sa pravom p.

4 5

Dž. Plejfer (1748-1819), engleski matematičar. N. I. Lobačevski (1792-1856), ruski matematičar.

V1'. (Aksioma Lobačevskog5) Ako tačka A ne pripada pravoj p, tada u ravni njima određenoj postoje bar dve prave koje sadrže tačku A i disjunktne su sa pravom p.


25

A

p

A

p

Tako dolazimo do dve geometrije od kojih je svaka neprotivrečna. Prvu, određenu sa aksiomama prve četiri grupe i aksiomom V1, zovemo euklidska6 geometrija. Drugu određenu sa aksiomama prve četiri grupe i aksiomom V1'. zovemo geometrija Lobačevskog ili hiperbolička geometrija. Iako su očigledno različite ove dve geometrije imaju dosta zajedničkog. To je, naravno, zbog toga što obe sadrže iste prve četiri grupe aksioma, a razlikuju se samo u petoj. Dakle, posledice prve četiri grupe aksioma, a samo njih smo do sada razmatrali, važe kako u euklidskoj geometriji, tako i u geometriji Lobačevskog. Međutim, u geometriji Lobačevskog, a to je posledica aksiome V1', zbir uglova u trouglu uvek je manji od zbira dva prava ugla i nije konstantan; zatim ne može se oko svakog trougla opisati krug, itd. Naravno ovi iskazi nam se mogu učiniti kontradiktorni, ali se oni ne mogu opovrgnuti bez uvođenja aksiome V1, tj. oni ne važe tek u euklidskoj geometriji. Inače, geometrija zasnovana samo na aksioma prve četiri grupe naziva se apsolutna geometrija. Ona određuje zajednička svojstva dve pomenute geometrije. Osim ovih postoji i geometrija u kojoj se svake dve prave neke ravni seku. To je tzv. Rimanova7 ili eliptička geometrija. Ali ona se, što je jasno iz prethodnog razmatranja, ne može zasnivati na aksioma prve četiri grupe, pa se u tom smislu razlikuje od euklidske geometrije i geometrije Lobačevskog. Mi ćemo se baviti samo euklidskom geometrijom. Stoga pređimo na razmatranje posledica aksiome V1. Inače, ceo skup S (skup svih tačaka) zvaćemo sada euklidski prostor i označavati sa E 3 ; sve ravni zvaćemo euklidske ravni i označavati E 2 , a sve prave euklidske prave u oznaci E 1 . Uvedimo sada relaciju paralelnosti pravih: Definicija. Prave p i q su paralelne u oznaci p||q ako su komplanarne i disjunktne ili je p=q. 6 7

Euklid iz Aleksandrije (III v. pre n. e.), starogrčki matematičar. B. Riman (1826-1866), nemački matematičar.

26


Sada Plejferovu aksiomu možemo iskazati i u sledećem obliku: Teorema V1 . Za svaku tačku A i svaku pravu p postoji jedinstvena prava q takva da je q||p i q∋A. Dokaz: Ako tačka A pripada pravoj p, tada je p jedina takva prava. Ako tačka A ne pripada pravoj p, tada na osnovu Plejferove aksiome postoji jedinstvena prava u ravni njima određenoj koja sadrži tačku A i disjunktna je sa pravom p. Tj. jedinstvena prava koja sadrži tačku A i paralelna je sa p. q Teorema V2 . Relacija paralelnosti pravih je relacija ekvivalencije. Dokaz: Relacija je refleksivna i simetrična direktno na osnovu definicije. Ostaje da se dokaže tranzitivnost. Neka za neke tri prave p, q, r važi p||q i q||r. Potrebno je dokazati da je p||r. Kako je p||q i q||r to su osnovu definicije prave p i q komplanarne i takođe prave q i r komplanarne. Označimo sa α ravan određenu pravama p i q i sa β ravan određenu pravama q i r. Razmotrimo najpre slučaj kad je α=β. Ako je p=q ili q=r, tada je jasno p||r. Neka je p≠q i q≠r. Prave p i r ne mogu se seći jer bi tada u ravni α postojale dve prave koje se seku i disjunktne su sa pravom q a to je u suprotnosti sa Plejferovom aksiomom. r Neka je sada α≠β. U tom slučaju je q naravno p≠q i q≠r pa je p∩q=∅ i q∩r=∅. Da p dokažemo da je p||r dovoljno je dokazati da su p i r disjunktne i komplanarne. Ako bi se P prave p i r sekle u nekoj tački S, ona bi s β pravom q određivala jedinstvenu ravan pa bi bilo α=β. Dakle, p∩r=∅. Dokažimo još da su α p' prave p i r komplanarne. Neka je P proizvoljna tačka prave p. Tada tačka P i prava r određuju neku ravan, označimo je sa γ. Ravni α i γ imaju zajedničku tačku P pa je njihov presek prava. Ako je to prava p dokaz je završen jer je tada p,r⊂ γ. Neka je α∩γ=p' i p≠p'. Sada su p, p', q prave ravni α, prave p i p' se seku u tački P, pa prema Plejferovoj aksiomi ne mogu biti i p i p' disjunktne sa q. Dakle, prave p' i q se seku u nekoj tački označimo je sa X. Tačka X sada pripada svim trima ravnima, α, β, γ tj. X∈α∩β∩γ=(α∩β)∩(β∩γ)=q∩r. To nije moguće jer je q∩r=∅. Dakle, p i r su komplanarne. q


27

Klase ekvivalencije relacije paralelnosti zvaćemo pravcima. Tako je pravac prave p kolekcija svih pravih paralelnih pravoj p. Uvedimo još dva nova pojma: Definicija. Prava p je paralelna sa ravni α u oznaci p||α ako je p⊂α ili p∩α=∅. p α

α

p

β α

α=β

Ako je p||α rećićemo i da su prava p i ravan α paralelne ili da je ravan α paralelna pravoj p, a označavati i sa α||p. Definicija. Ravni α i β su paralelne u oznaci α||β ako je α=β ili α∩β=∅. Teorema V3 . Prava p je paralelna sa ravni π akko u toj ravni postoji prava paralelna sa pravom p; tj: p||π⇔(∃q)(q⊂π i q||p) Dokaz: Ako prava p pripada ravni π tada su obe strane ekvivalencije tačne. Razmotrimo sada slučaj p⊄π. α Dokazivaćemo ekvivalenciju u dva smera. p ⇒. Neka je p||π. Dokažimo da u ravni π postoji prava paralelna sa pravom p. Neka A je A proizvoljna tačka u ravni π a koja ne q π pripada pravoj p. Tada tačka A i prava p određuju neku ravan, označimo je sa α. Ravni α i π imaju zajedničku tačku A pa je njihov presek neka prava q. Naravno, ne može biti α=π jer je p⊂α a p⊄π. Sada su prave p i q komplanarne i ne mogu se seći, jer bi njihova presečna tačka pripadala i ravni π. Ovo poslednje nije moguće budući da je p||π i p⊄π pa prava p i ravan π ne mogu imati zajedničkih tačaka. Dakle, mora biti q||p.

28


⇐. Pretpostavimo sada da u ravni π postoji prava q koja je paralelna sa pravom p. Ne može biti p=q jer je p⊄π a q⊂π. Dakle, prave p i q ne mogu imati zajedničkih tačaka i one određuju neku ravan α. Odatle sledi da su i prava p i ravan π disjunktne. Ako bi se naime p i π sekle njihova presečna tačka pripadala bi i ravni α odnosno preseku α i π tj pravoj q. To nije moguće jer se p i q ne seku. Dakle, p i π su paralelne. q Teorema V4 . Relacija paralelnosti ravni je relacija ekvivalencije. Dokaz: Relacija je refleksivna i simetrična direktno na osnovu definicije. Ostaje da dokažemo da je tranzitivna. Neka su α, β, γ tri ravni takve da je α||β i β||γ, dokažimo da je α||γ. Slučaj kada je α=β ili β=γ je K trivijalan. a c L γ Razmotrimo zato slučaj: α≠β i β≠γ. Tada je naravno α∩β=∅ i β∩γ=∅. α σ Pretpostavimo suprotno da nije α||γ tj. neka se α i γ seku po nekoj b pravoj p. Sa K označimo M β proizvoljnu tačku prave p, sa L tačku ravni α koja nije na pravoj p i sa M proizvoljnu tačku ravni β. Na osnovu aksioma incidencije postoji neka ravan σ koja sadrži te tri tačke. Sa svakom od ravni α, β, γ ravan σ ima zajedničkih tačaka a kako se sa svakom od njih razlikuje sećiće ih po trima pravama označimo ih redom sa a, b, c. Ne može biti a=c jer u suprotnom tačka L pripadala bi i ravni γ a prava p i tačka L određuju tačno jednu ravan α. Dakle, prave a i c seku se u tački K. Takođe, one su disjunktne sa pravom b, jer bi u suprotnom jedna od ravni α i γ sekla ravan β. Ali na osnovu Plejferove aksiome u ravni σ ne mogu postojati dve prave koje se seku i disjunktne su sa trećom. Prema tome, mora biti α||γ. q Teorema V5 . Za svaku ravan α i svaku tačku tačku B postoji tačno jedna ravan koja sadrži tu tačku i paralelna je sa tom ravni; tj: (∀α)(∀B)(∃1β)(B∈β∧β||α).


29

Dokaz: Ako tačka B pripada ravni p' α, onda je α tražena ravan. Razmotrimo sada slučaj kada je B q' B∉α. Neka je A proizvoljna tačka β ravni α i p i q proizvoljne prave te p ravni koje se seku u toj tački. Na A q α osnovu teoreme V1, postoje jedinstvene prave p' i q' koje sadrže tačku B i paralelne su redom sa pravama p i q. Ako bi bilo p'=q' tada bi na osnovu tranzitivnosti paralelnosti bilo i p||q što na osnovu izbora tih pravih nije moguće. Dakle, prave p' i q' seku se u tački B pa određuju neku ravan, označimo je sa β. Dokažimo da je β tražena ravan. Najpre trivijalno B∈β. Pretpostavimo da nije β||α. U tom slučaju ravni α i β seku se po nekoj pravoj r. Na osnovu Plejferove aksiome u ravni β jedna od pravih p' i q' mora seći pravu r. Ne umanjujući opštost neka je npr. p'∩r=X. Prave p i p' su dve razne paralelne prave pa određuju neku ravan ν. Tačka X je u ravnima α i ν dakle i na njihovom preseku tj. pravoj p. Tada bi se prave p i p' sekle u tački X što nije moguće pa je zaista β||α. Ostaje nam da dokažemo jedinstvenost takve ravni. Neka je β1 ravan koja sadrži tačku B i paralelna je sa ravni α. Na osnovu prethodne teoreme, zbog tranzitivnosti relacije paralelnosti ravni, kako je β||α i β1||α mora biti i β||β1. Ravni β i β1 imaju zajedničku tačku B pa je zbog toga β=β1. q

Zadaci 1. Neka prava p seče ravan α. Ako je q prava koja pripada ravni α i komlanarna je sa pravom p, dokazati da se prave p i q seku. 2. Neka je A tačka van pravih p i q. Ako postoje dve razne prave koje sadrže tačku A i seku prave p i q , tada su p i q komplanarne prave. Dokazati. 3. Dokazati da za svaku pravu p postoji prava koja je sa njom mimoilazna. 4. Dokazati da postoje bar četiri razne ravni i bar šest raznih pravih.

30


5. Dokazati da se svake dve razne prave neke ravni ili seku ili nemaju zajedničkih tačaka. 6. Dokazati da za svaku ravan postoji prava koja joj ne pripada. 7. Ako se svake dve prave nekog skupa pravih seku, dokazati da su one komplanarne ili se sve seku u jednoj tački. 8. Neka su A, B, C, D, E, F, G različite tačke takve da su A, B, C, D nekomplanarne i E∈AB, F∈AC, G∈CD. Dokazati da su E, F, G nekolinearne tačke. 9. Ako su P i Q tačke ivica BC i AC trougla ABC, različite od njegovih temena, dokazati da se duži AP i BQ seku u jednoj tački. 10. Ako su P, Q, R tačke ivica BC, AC, AB trougla ABC, različite od njegovih temena, dokazati da se duži AP i QR seku u jednoj tački. 11. Dokazati da je presek dva konveksna skupa konveksan skup. 12. Dokazati da je trougaona površ konveksan skup. 13. Ako je B(A,B,C) i B(D,A,C), dokazati da je tada i B(B,A,D) 14. Neka su A, B, C, D kolinearne tačke i neka B(B,A,C), B(B,A,D). Dokazati da B(C,A,D). 15. Svake dve prave neke ravni se ili seku ili su paralelne. Dokazati. 16. Ako neka prava seče jednu od dve paralelne ravni, dokazati da ona tada seče i drugu ravan. 17. Ako neka ravan seče jednu od dve paralelne prave, dokazati da ona tada seče i drugu pravu. 18. Ako neka ravan seče jednu od dve paralelne ravni, dokazati da ona tada seče i drugu ravan. 19. Ako ravan σ seče dve paralelne ravni α i β po pravama p i q dokazati da je tada p||q. 20.

Ako su α i β ravni i p prava pri čemu je p||α i α||β dokazati da je p||β.

21. Ako su p i q dve mimoilazne prave dokazati da postoji jedinstvena ravan koja sadrži pravu p i paralelna je sa pravom q.


31

22. Neka su p i q dve mimoilazne prave i S tačka van njih. Dokazati da postoji jedinstvena ravan koja sadrži tačku S i paralelna je sa pravama p i q. 23. Neka se ravni α i β seku po pravoj t. Ako je p proizvoljna prava, dokazati ekvivalenciju: p||t ⇔ p||α i p||β 24. Dokazati da u prostoru postoje bar dve razne paralelne ravni. 25.

Ako su sve tačke neke prave p sa iste strane ravni α, dokazati da je p||α.

26. Neka su p i q dve mimoilazne prave i A tačka van njih. Dokazati da postoji prava koja sadrži tačku A, seče jednu od pravih p i q a drugu seče ili je sa njom paralelna. 27. Ako su svake dve od pravih a, b, c komplanarne i nisu sve tri u istoj ravni, tada se one seku u istoj tački, ili su paralelne. 28. Neka su A, B, C, D, S tačke od kojih nikoje četiri nisu komplanarne. Ako prava AB seče ravan CSD u tački M; prava BC seče ravan ASD u tački N; prava CD seče ravan BSA u tački K; prava DA seče ravan BSC u tački L, dokazati da su tačke M, N, K, L komplanarne. 29. Ako su Φ1, Φ2, ... , Φn (n≥4) konveksne figure neke ravni od kojih svake tri imaju bar jednu zajedničku tačku, dokazati da tada svih n figura imaju bar jednu zajedničku tačku. (Helijeva teorema8) 30. Neka su α1,α2,...,αn (n>3) poluravni koje prekrivaju neku ravan α. Dokazati da postoje tri od tih poluravni, koje prekrivaju ravan α.

8

E. Heli (1884-1943), austrijski matematičar, dokazao je ovo tvrđenje 1913. godine.

Glava III

Podudarnost

U ovoj glavi razmatraćemo daljnje posledice aksioma podudarnosti. Ove aksiome omogućuju nam da definišemo relaciju podudarnosti me|u figurama. Ali pre toga, uvešćemo posebnu vrstu preslikavanja prostora, koja imaju veliku primenu u geometriji. Za većinu stavova u ovoj glavi neće se u dokazu koristiti Plejferova aksioma, pa će stoga oni važiti kako u euklidskoj, tako i u geometriji Lobačevskog.

3.1 Izometrijske transformacije Čitalac je već od ranije upoznat sa pojmovima funkcije, domena, kodomena i oznakom f :A→B (gde su A i B skupovi, koje zovemo domen i kodomen). Funkciju smo tako|e zvali i preslikavanje. U slučaju kad je A=B funkcija se naziva transformacija. Intuitivno dve figure su podudarne ako ih nekim “kretanjem” možemo dovesti do poklapanja. Naravno, ova definicija ne može biti zadovoljavajuća, pa ćemo zato pokušati da formalizujemo pojam “kretanje”. Njega ćemo uvesti kao neko preslikavanje celog prostora ili ravni. Dakle, ideja se sastoji u tome da vršimo "kretanje" cele ravni ili prostora a ne samo figure. Prirodno, zahtevaćemo da takvo preslikavanje čuva relaciju podudarnosti parova tačaka tj: Definicija. Preslikavanje T: E n → E n ; n∈{1,2,3}, koje je bijekcija i koje svake dve tačke A i B prostora E n preslikava u tačke A' i B' takve da je (A,B)≅ (A',B') naziva se izometrijska transformacija ili izometrija prostora B A

B'

T 32

A'

III Podudarnost

33

En.

Na osnovu definicije, domen i kodomen izometrijskih transformacija mogu biti euklidska prava, ravan i prostor. To znači da možemo govoriti o izometrijskim transformacijama euklidske prave, ravni i prostora. Na primer u slučaju izometrije ravni cela se ravan preslikava u istu tu ravan. Zahtev da je takva transformacija bijektivna garantuje da se cela ravan slika u celu ravan, a ne neki njen deo. Odmah ćemo se setiti nekih primera izometrijskih transformacija ravni kao što su: osna simetrija, rotacija i translacija. Ali njih ćemo definisati i izučavati detaljnije, kada budemo izvršili klasifikaciju izometrija, u jednoj od narednih glava. Da bismo ih sada uveli, bio bi nam potreban pojam podudarnosti duži, uglova i figura uopšte. Međutim, te pojmove ćemo tek kasnije definisati, koristeći se opštim pojmom izometrije. Među izometrijama najjednostavniji je primer transformacije koja svaku tačku ostavlja na svom mestu: Definicija. Preslikavanje E: E n → E n koje svaku tačku A preslikava u samu sebe tj. (∀A∈ E n )E(A)=A naziva se koincidencija. Koincidencija je dakle transformacija kod koje svaka tačka "miruje". Iako je intuitivno jasno, potrebno je dokazati da je takvo preslikavanje zaista izometrija. Uz to, navešćemo i dva važna svojstva izometrijskih transformacija: Teorema 1.* (i) Koincidencija prostora E n je izometrijska transformacija tog prostora. (ii) Kompozicija dve izometrije prostora E n je takođe izometrija tog prostora. (iii) Ako je T izometrija prostora E n tada je njena inverzna transformacija T -1 takođe izometrija tog prostora. Na osnovu prethodne teoreme možemo zaključiti da sve izometrije prostora E n čine tzv. strukturu grupe9 u odnosu na operaciju slaganja preslikavanja. Naime, osim tri svojstva iz te teoreme (kompozicija dve izometrije je izometrija, postojanje neutralnog i inverznog elementa), za 9

Teoriju grupa otkrio je genijalni mladi francuski matematičar E. Galoa (1811-1832).

34

III Podudarnost

strukturu grupe potrebno je da data operacija bude asocijativna, što je za slaganje preslikavanja inače ispunjeno. Iako za sada još ne uvodimo konkretne primere izometrija (rotaciju, translaciju, osnu simetriju), sa kojima je čitalac upoznat od ranije, nije loše da kroz te primere ponekad utvrdimo neki uvedeni pojam ili svojstvo. Tako ćemo, na primer, lako zaključiti da inverzna transformacija rotacije predstavlja takođe rotaciju sa istim centrom ali r r suprotnim uglom. Takođe, kompozicija dve translacije sa vektorima u, v r r je translacija za vektor u + v . Naravno, ovi primeri nam za sada samo pomažu u razumevanju, ali ih nigde ne pominjemo u formalnom izlaganju. Sada ćemo dokazati očekivano svojstvo, da se kolinearne tačke izometrijom preslikavaju u kolinearne tačke, tj. da izometrijske transformacije "čuvaju" kolinearnost. Dokazaćemo i opštije tvrđenje: da izometrije čuvaju relaciju rasporeda tačaka. Teorema 2. Ako izometrija prostora E n preslikava neke tri tačke A, B, C u tačke A', B', C' i ako je B(A,B,C), tada je i B(A',B',C'). Dokaz: Neka se tri tačke A, B, C izometrijom T preslikavaju u tačke A', B', C' i neka je B(A,B,C). Na osnovu definicije izometrije je tada: (A,C)≅ (A',C'), (A,B)≅ (A',B'), (B,C)≅ (B',C'). Ali sada na osnovu teoreme III3, kako je (A,C)≅ (A',C'), postoji jedinstvena tačka B" takva da je (A,B)≅ (A',B") i (B,C)≅ (B",C'), pri čemu je B(A',B",C'). Na osnovu prethodnog, mora biti B'=B", pa je zaista B(A',B',C'). q Kao direktnu posledicu prethodnog, imamo sledeće tvrđenje: Posledica. (i) Izometrija preslikava kolinearne tačke u kolinearne tačke. (ii) Izometrijska transformacija preslikava: pravu u pravu; duž u duž; polupravu u polupravu; poluravan u poluravan; ugao u ugao; n-tougao u n-tougao. Navešćemo neka svojstva izometrijskih transformacija pravih, tj. izometrija T: E 1 → E 1 . Sledeću teoremu dajemo bez dokaza:

III Podudarnost

35

Teorema 3. Neka su A, B, A', B' tačke euklidske prave E 1 takve da je (A,B)≅ (A',B'). Tada postoji jedinstvena izometrija T: E 1 → E 1 koja tačke A i B preslikava redom u tačke A' i B'. Napomena: Dokaz ove teoreme zasniva se opet na teoremi III3. Od naročitog značaja su tačke koje se pri nekoj izometriji preslikavaju u sebe. Razmatraćemo broj takvih tačaka koji će biti karakteristika određenih izometrija. Definicija. Tačka A je fiksna ili invarijantna tačka neke izometrije T: E n → E n ; n∈{1,2,3}, ako je T(A)=A. Značajna je sledeća posledica teoreme 3: Posledica.* Izometrija prave T: E 1 → E 1 sa bar dve razne fiksne tačke je koincidencija. U iskazu ove posledice tvrdi se da izometrija prave koja nije koincidencija ne može imati više od jedne fiksne tačke. Intuitivno je sada jasno da na pravoj, osim koincidencije, postoje samo dve vrste izometrija. One koje imaju tačno jednu fiksnu tačku predstavljale bi centralne simetrije na pravoj, gde bi centar simetrije bio ta fiksna tačka. One koje nemaju fiksnu tačku bile bi translacije na pravoj. Što se tiče izometrija ravni, tj. izometrija T: E 2 → E 2 , stvar je znatno složenija. Translacija ravni, na primer, nema fiksnih tačaka; rotacija ima samo jednu. Postavlja se pitanje koliko najviše fiksnih tačaka može imati izometrija, koja nije koincidencija. Osna simetrija ih ima beskonačno mnogo, ali su sve kolinearne. Zamislimo sada da neka izometrija ima tačno jednu fiksnu tačku. Intuitivno, jedino "kretanje" ravni koje tada možemo izvršiti je rotacija oko te tačke. Ako izometrija, koja nije koincidencija, ima bar dve fiksne tačke, slutimo, opet intuitivno, da je jedino moguće "kretanje" te ravni, "prevrtanje" oko prave određene fiksnim tačkama - a to je osna simetrija. U slučaju da izometrija ima tri fiksne nekolinearne tačke, ravan bi njima bila cela fiksirana i ne bi bilo moguće nikakvo "kretanje". Slutimo, dakle, da bi takva izometrija morala biti koincidencija. Postavlja se međutim pitanje, postoje li osim translacija još neke izometrije bez fiksnih tačaka, i uopšte, ima li još izometrija osim ovih pomenutih. Odgovor na oba ova pitanja je potvrdan, ali ćemo se time baviti tek u jednoj od narednih glava, kada ćemo izvršiti

36

III Podudarnost

potpunu klasifikaciju izometrija. Napomenimo samo da je pojam fiksnih tačaka veoma značajan i da će on u toj klasifikaciji odigrati glavnu ulogu. Taj posao započinjemo, ustvari, već narednom teoremom: Teorema 4. Izometrijska transformacija ravni T: E 2 → E 2 koja ima bar tri fiksne nekolinearne tačke je koincidencija. Dokaz: Neka su A, B, C ∈ E 2 tri nekolinearne fiksne tačke izometrije T A tj. neka je T(A)=A, T(B)=B, T(C)=C. M Označimo sa T1 izometriju prave AB L (dakle T1: E 1 → E 1 ) takvu da je T1(X)=T(X), za svaku tačku X prave AB. B K C Tada je i T1(A)=A, T1(B)=B, pa je na osnovu prve posledice teoreme 5, izometrija T1 koincidencija na pravoj AB. Tada je za svaku tačku X prave AB: T(X)=T1(X)=X. Dakle, svaka tačka prave AB je fiksna u izometriji T. Analogno su i sve tačke pravih BC i AC fiksne u izometriji T. Neka je M proizvoljna tačka ravni E 2 koja nije na pravama AB, BC, AC. Sa K označimo proizvoljnu tačku otvorene duži BC. Na osnovu Pašove aksiome prava KM ili sadrži tačku A ili seče jednu od ivica AB i AC u nekoj tački L. Tako na pravoj KM postoje bar dve razne fiksne tačke izometrije T (K i L ili K i A). Sada na isti način kao za pravu AB dokazujemo da su na pravoj KM sve tačke fiksne pa tako i tačka M. q Navešćemo još jednu važnu teoremu bez dokaza: Teorema 5. Neka su A, B, C i A', B', C' dve trojke nekolinearnih tačaka ravni E 2 takve da je (A,B,C)≅ (A',B'C). Tada postoji jedinstvena izometrija ravni T: E 2 → E 2 koja tačke A, B, C preslikava redom u tačke A', B', C'. Na osnovu ove teoreme je dakle, svaka izometrija ravni T određena sa tri odgovarajuća para A'=T(A), B'=T(B), C'=T(C) pri čemu su A, B, C nekolinearne tačke.

3.2 Relacija podudarnosti figura

III Podudarnost

37

Kao što smo već nagovestili, sada ćemo uvesti nov pojam: relaciju podudarnosti figura. Definicija. Dve figure Φ1 i Φ2 su podudarne u, oznaci Φ1 ≅ Φ2, ako postoji izometrija T koja preslikava Φ1 u Φ2 tj. T(Φ1)=Φ2. T Φ1

Φ2

Napominjemo da uopšte, za neko preslikavanje f, f(Φ) predstavlja skup slika svih tačaka figure Φ u preslikavanju f. Dakle: f(Φ)={f(X)|X∈Φ} Lako se dokazuje očekivano svojstvo ove relacije: Teorema 1.* Relacija podudarnosti figura je relacija ekvivalencije.

Zadaci 1. Ako neka izometrija T preslikava figure Φ1 i Φ2 u figure Φ'1 i Φ'2, dokazati da se tada presek Φ1∩Φ2 tom izometrijom preslikava u presek Φ'1∩Φ'2 . 2. Dokazati da su svake dve poluprave neke ravni među sobom podudarne. 3. Dokazati da su svake dve prave neke ravni među sobom podudarne. 4. Dokazati da su svake dve tačke prostora među sobom podudarne. 5. Neka su k i k' dva kruga neke ravni sa centrima O i O' i poluprečnicima AB i A'B' redom. Dokazati ekvivalenciju: k≅ k' ⇔ (A,B)≅ (A',B'). 6. Neka je T neidentična izometrija ravni sa dve fiksne tačke A i B. Ako je p prava te ravni koja je paralelna sa pravom AB i od nje različita, dokazati da na njoj nema fiksnih tačaka izometrije T.

38

III Podudarnost

3.3 Podudarnost duži Nema potrebe da posebno definišemo podudarnost duži, jer su duži figure, pa se to uklapa u prethodnu definiciju. Kako se lako dokazuje da su svake dve prave podudarne, ubuduće ćemo pod oznakom AB≅ CD podrazumevati da su duži AB i CD podudarne. Kada smo u poglavlju aksiomatike razmatrali pojam podudarnosti parova tačaka, imali smo intuitivnu predstavu da se radi o podudarnosti duži. Kako smo ovaj poslednji pojam tek sada uveli, iskazaćemo sledeću teoremu: Teorema 1. (A,B)≅ (A',B')⇔AB≅ A'B'. Nećemo navoditi strogi dokaz ove teoreme. Napomenimo, da se u dokazu koristi teorema 7, o postojanju izometrije, kao i teorema 4, na osnovu koje izometrije čuvaju raspored (obe teoreme su iz odeljka 3.1). Na osnovu prethodne teoreme, sada smo u mogućnosti da umesto podudarnosti parova tačaka govorimo o podudarnosti duži. Definicija. Tačka S je središte duži AB ako pripada toj duži i važi AS≅ SB. Dokažimo sledeću značajnu teoremu: Teorema 2. Za svaku duž postoji jedinstveno središte. Dokaz: Neka je AB proizvoljna duž. Dokažimo da ona ima jedinstveno središte. Neka je C proizvoljna tačka C van prave AB. Tada tačke A, B, C određuju jednu ravan α i dve poluravni sa početnom pravom AB. π1 A S B Sa π1 označimo onu koja sadrži tačku π2 C, a sa π2 onu drugu. Na osnovu aksiome III6 u poluravni π2 postoji jedinstvena tačka C' takva da je C' AC≅BC' i BC≅AC'. Kako je i AB≅AB, prema teoremi 7, iz odeljka 3.1, postoji jedinstvena izometrija T koja preslikava tačke A, B, C redom u tačke B, A, C'. Zbog čuvanja podudarnosti ona preslikava i tačku C' u tačku C. Tačke C i C' su sa raznih strana prave AB, pa duž CC' seče pravu AB u nekoj tački S. Izometrija T preslikava prave AB i CC' u sebe same, pa je S kao njihova

III Podudarnost

39

presečna tačka fiksna tačka te izometrije. Tada je zbog T:A,SaB,S i AS≅SB. Dokažimo da tačka S pripada duži AB. Tačke A i B nisu fiksne tačke izometrije T, pa se S od njih razlikuje. Ako bi bilo npr. B(A,B,S), tada bi na polupravoj SA postojale dve razne tačke A i B takve da je SA≅SB, što je u kontradikciji sa teoremom III2. Dakle, tačka S je središte duži AB. Dokažimo da je to središte jedinstveno. Pretpostavimo da je S1 takođe središte duži AB. U tom slučaju je AS1≅S1B, pa restrikcija izometrije T na pravoj AB ima dve fiksne tačke S i S1. Tada bi ona predstavljala koincidenciju na pravoj AB, što nije moguće jer tačke A i B nisu fiksne. Dakle, mora biti S=S1 . q Uvešćemo sada još neke pojmove: Definicija. Duž AB je manja od duži CD u oznaci ABAB.

A

C

C

B

B E

D

A E

G

F

D

Definicija. Duž EF jednaka je zbiru duži AB i CD u oznaci EF=AB+CD ako unutar duži EF postoji tačka G takva da je AB≅ EG i CD≅ GF. Čitaocu prepuštamo da uvede pojmove kao što su razlika duži i množenje duži prirodnim brojem (tj. kada je AB=nCD; n∈N) kao i racionalnim pozitivnim brojem. Napomenimo da je definicija množenja duži realnim pozitivnim brojem složenija, i ovde je nećemo navoditi. Ona je u vezi sa pojmom mere duži, koji ćemo razmatrati u osmoj glavi.

3.4 Podudarnost uglova, pravi uglovi, relacija normalnosti pravih U ovom odeljku nećemo dokazivati većinu teorema. Detaljno izlaganje ove teme oduzelo bi nam dosta vremena. Inače, u njihovom dokazivanju značajnu ulogu ima teorema 7, iz odeljka 3.1, kao i njena naredna posledica:

40

III Podudarnost

Teorema 1. Dva konveksna (ili konkavna) ugla pOq i p'O'q' su podudarna ako i samo ako na kracima p, q, p', q' redom postoje tačke P, Q, P', Q' takve da je: (P,O,Q)≅ (P',O',Q'). Napomenimo, da sada relaciju (P,O,Q)≅ (P',O',Q') možemo iskazati i u obliku: PO≅ P'O' i OQ≅ O'Q' i PQ≅ P'Q'. Teorema 2. Unakrsni uglovi su međusobno podudarni. Teorema 3. Za svaki ∠pq i svaku polupravu p' neke ravni, postoji u poluravni određenoj pravom koja sadrži p', jedinstvena poluprava q' takva da je ∠pq≅ ∠p'q'. Sada ćemo uvesti pojam koji je analogan pojmu središta duži: Definicija. Poluprava s, sa početnom tačkom O koja pripada uglu pOq i takva da O je ∠ps≅ ∠sq naziva se bisektrisa ugla pOq. Prava koja sadrži polupravu s naziva se simetrala tog ugla.

q s p

Iskažimo teoremu koja se odnosi na pojam bisektrise. Ona je, opet, analogna teoremi o jedinstvenosti središta duži. Teorema 4. Svaki ugao ima jedinstvenu bisektrisu. Slično kao kod duži, sada možemo uvesti relacije poređenja među uglovima kao i pojam zbira dva ugla: Definicija. Ugao AOB je manji od ugla CSD u oznaci ∠AOB<∠CSD ako unutar ugla CSD postoji poluprava SE takva da je ∠AOB≅ ∠CSE. U tom slučaju kažemo i da je ugao CSD veći od ugla AOB u oznaci ∠CSD>∠AOB. B O

A

D S

B

C

Definicija. Ugao pOq je zbir uglova aSb i a'S'b' u oznaci: ∠pOq =∠aSb+∠a'S'b', ako unutar ugla pOq postoji poluprava r sa početnom tačkom O tako da je ∠pOr≅ ∠aSb i ∠rOq≅ ∠a'S'b'.

III Podudarnost

41

Čitaocu prepuštamo da uvede pojmove razlike dva ugla i množenja ugla prirodnim i racionalnim pozitivnim brojem. Uvedene relacije poređenja među uglovima nam omogućuju da definišemo sledeće važne pojmove: Definicija. Za konveksni ugao kaže se da je prav, oštar ili tup u zavisnosti od toga da li je on podudaran, manji od ili veći od svog ω

ω

ω

naporednog ugla. Definicija. Uglovi α i β su suplementni ako im je zbir opruženi ugao. Definicija. Uglovi α i β su komplementni ako im je zbir prav ugao. β

β α

α

Iako izgledaju očigledna sledeća dva svojstva pravih uglova moraju se iskazati kao teoreme. Ovde ih međutim nećemo dokazivati. Teorema 5. Ugao podudaran nekom pravom uglu takođe je prav. Teorema 6. Pravi uglovi su među sobom podudarni. Kako su svi pravi uglovi među sobom podudarni, moguće je uvesti pojam mere ugla (koji ovde uvodimo neformalno). Mi ćemo koristiti meru u stepenima, u kojoj pravom uglu odgovara mera od 90 stepeni u oznaci 90o. Naravno, u tom slučaju mera opruženog ugla bila bi 180o. Napomenimo da inače problem uvođenja mere ugla, kao uostalom i mere duži, nije nimalo jednostavan. Sada, pomoću pojma pravog ugla, možemo uvesti značajnu relaciju među pravama. Radi se o relaciji normalnosti pravih. Definicija. Ako prave p i q sadrže redom krake OP i OQ nekog pravog ugla POQ, tada kažemo da je prava p normalna (upravna, ortogonalna) na pravoj q u oznaci p⊥q.

42

III Podudarnost

Iz same definicije je jasno da je relacija normalnosti pravih simetrična. Tako, ako je p⊥q, možemo reći i da su prave p i q međusobno normalne. Dokažimo sada jednu značajnu teoremu: Teorema 7. Za svaku pravu p i svaku tačku A neke ravni postoji jedinstvena prava n u toj ravni koja sadrži tačku A i upravna je na pravoj p. Dokaz: Razmotrimo dva slučaja: 1) A∉p. Neka su M i N dve razne tačke prave p. Tada na osnovu aksiome III6 u poluravni određenoj pravom p, u kojoj nije tačka A, postoji jedinstvena tačka B, takva da je (M,A,N)≅(M,B,N). Tačke A i B su sa raznih strana prave p pa prava AB seče pravu p u nekoj tački O. Bar jedna od tačaka M i N je različita od tačke O, neka je to tačka M. Tada je (M,O)≅(M,O), pa je na osnovu aksiome III7 i (O,A)≅(O,B). Prema tome (M,O,A) i (M,O,B) su dve trojke podudarnih tačaka, pa su na osnovu teoreme 1, naporedni uglovi MOA i MOB podudarni i kao takvi pravi. Stoga je AB⊥p. Dokažimo jedinstvenost ovakve prave. Pretpostavimo suprotno, da osim nje postoji još neka prava koja sadrži tačku A i upravna je na pravoj p. Ako je O' presečna tačka te prave sa pravom p i B' tačka te prave, takva da je AO'≅O'B' i B(A,O',B'), tada postoji izometrija koja preslikava ugao AO'M u ugao B'O'M. Ta izometrija tačke A, O', M preslikava u tačke B', O', M, pa je AM≅B'M. Analogno se dokazuje da je i AN≅B'N. U tom slučaju sa iste strane prave p postoje dve tačke B i B', takve da je (M,A,N)≅(M,B,N) i (M,A,N)≅(M,B',N), što protivreči aksiomi III6. A B M

N

O' O

B

p

p K

A

L

B'

2) A∈p. Ako su K i L dve tačke prave p takve da je B(K,A,L), tada na osnovu teoreme 4, postoji jedinstvena bisektrisa BA opruženog ugla KAL,

III Podudarnost

43

koja taj ugao razlaže na dva podudarna naporedna ugla. Stoga je prava AB upravna na pravoj p. Jedinstvenost ove normale dokazujemo na sličan način kao u prethodnom slučaju. q A

A

q

n

n p

p

Važno je pomenuti da ni u jednom od dokaza ovih teorema nije potrebno koristiti Plejferovu aksiomu. Sada je jasno zašto je kod Plejferove aksiome dovoljno istaći jedinstvenost disjunktne prave. Naime, samo na osnovu prve četiri grupe aksioma, moguće je dokazati da za pravu p i tačku A van nje, u ravni njima određenoj, postoji prava koja sadrži tu tačku i disjunktna je sa tom pravom. Zaista, koristeći prethodnu teoremu, zaključujemo da postoji prava n koja sadrži tačku A i normalna je na pravoj p. Takođe, postoji prava q koja sadrži tačku A i normalna je na pravoj n. Prave p i q moraju biti disjunktne, jer ako bi se sekle, npr. u tački B, postojale bi dve normale iz te tačke na pravoj n, a to je u suprotnosti sa prethodnom teoremom. Naravno, bez Plejferove aksiome nismo u mogućnosti da dokažemo da je ovakva disjunktna prava jedinstvena. Na kraju uvedimo još jedan važan pojam: s Definicija. Neka je tačka S središte duži AB. Prava koja je u tački S normalna na pravoj AB naziva se medijatrisa ili simetrala duži AB.

A

S

B

Na osnovu prethodne teoreme i teoreme o jedinstvenosti središta duži, zaključujemo da svaka duž ima jedinstvenu medijatrisu. Kasnije, u jednom od zadataka, čitalac će dokazati da medijatrisa duži AB predstavlja skup svih tačaka X ravni takvih da je AX≅ XB.

3.5 Podudarnost trouglova Na osnovu opšte definicije o podudarnosti figura možemo zaključiti da su dva trougla podudarna akko postoji izometrija koja jedan trougao

44

III Podudarnost

preslikava u drugi. Često, međutim, nije lako direktno, na ovaj način, dokazivati tu podudarnost. Zato ćemo sada uvesti još neke potrebne i dovoljne uslove za podudarnost dva trougla. Oni su poznati kao četiri stava o podudarnosti trouglova. Kako izometrije čuvaju raspored, jasno je da ako su dva trougla podudarna tada su podudarne i odgovarajuće ivice i odgovarajući uglovi ta dva trougla. Sada ćemo razmotriti obrnut problem: koji su od uslova podudarnosti odgovarajućih ivica i uglova dovoljni da dva trougla budu podudarna. Te uslove daju već pomenuti stavovi o podudarnosti trouglova10. U svim tim stavovima pretpostavljamo da trouglovi pripadaju istoj ravni. Naravno, oni važe i u slučaju kad trouglovi nisu komplanarni, ali bismo tada u dokazu koristili svojstva izometrija prostora. Zbog lakšeg dokazivanja, stavove navodimo drugim redosledom. Stav 3. (SSS) Dva trougla su podudarna ako su im odgovarajuće ivice podudarne, tj.: AB≅ A'B', BC≅ B'C', AC≅ A'C' ⇒ ∆ABC≅ ∆A'B'C' Dokaz: Neka su ABC, A'B'C' dva trougla takva da je AB≅ A'B', BC≅ B'C', AC≅ A'C'. Na osnovu teoreme 2, iz odeljka 3.3, tada su i odgovarajući A

B

A'

C

B'

C'

parovi tačaka podudarni, pa je i (A,B,C)≅ (A',B',C'). Tada, prema poznatoj teoremi postoji izometrija T te ravni, koja tačke A, B, C preslikava redom u tačke A', B', C'. Ali izometrije čuvaju raspored, pa se odgovarajuće ivice jednog trougla preslikavaju u odgovarajuće ivice drugog trougla. Na osnovu toga izometrija T preslikava trougao ABC u trougao A'B'C', pa je onda ∆ABC≅ ∆A'B'C'. q

10

Prvi, treći i četvrti stav o podudarnosti trouglova pripisuju se starogrčkom filozofu i matematičaru Pitagori sa ostrva Samosa, (VI v. pre n. e.), dok se za drugi stav pretpostavlja da je bio poznat još Talesu iz Mileta (VII-VI v. pre n. e.).

III Podudarnost

45

Stav 1. (SUS) Dva trougla su podudarna ako su dve ivice i njima zahvaćeni ugao jednog trougla podudarni sa odgovarajućim ivicama i uglovima drugog trougla, tj: AB≅ A'B', AC≅ A'C', ∠BAC≅ ∠B'A'C' ⇒ ∆ABC≅ ∆A'B'C' A

A'

B

C

B'

C'

Dokaz: Neka su ABC, A'B'C' dva trougla takva da je AB≅ A'B', AC≅ A'C', ∠BAC≅ ∠B'A'C'. Tada postoji neka izometrija T koja ugao BAC preslikava u ugao B'A'C'. Zbog čuvanja rasporeda teme A prvog ugla preslikava se tom izometrijom u teme A' drugog ugla. Tačke B i C preslikavaju se u tačke B1, C1 na kracima A'B' i A'C' takve da je AB≅ A'B1 i AC≅ A'C1. Na osnovu teoreme III2 (kod aksioma podudarnosti) takve tačke B1 i C1 su jedinstvene tj. mora biti B1=B' i C1=C'. Dakle T:A,B,CaA',B',C' pa su trouglovi ABC i A'B'C' podudarni. q Stav 2. (USU) Dva trougla su podudarna ako su jedna ivica i na njoj nalegli uglovi jednog trougla podudarni sa odgovarajućom ivicom i odgovarajućim uglovima drugog trougla, tj: BC≅ B'C', ∠ABC≅ ∠A'B'C', ∠ACB≅ ∠A'C'B' ⇒ ∆ABC≅ ∆A'B'C' A

A' A

β

B

β'

γ

C

B'

γ'

C'

Dokaz: Neka su ABC, A'B'C' dva trougla takva da je BC≅ B'C', ∠ABC≅ ∠A'B'C', ∠ACB≅ ∠A'C'B'. Dokažimo da mora biti AB≅ A'B'. Pretpostavimo suprotno, neka je npr. ne umanjujući opštost, AB
46

III Podudarnost

poluprave C'A' i C'A" poklapaju. Onda mora biti i A'=A", pa su trouglovi ABC i A'B'C' zaista podudarni. q Lema 1. Naspram podudarnih ivica nekog trougla su podudarni uglovi; i obratno, naspram podudarnih uglova trougla su podudarne ivice. Dokaz: Neka je ABC trougao takav da je AB≅ AC. Tada, kako je AB≅ AC, AC≅ AB, BC≅ CB, zaključujemo na osnovu stava SSS da je ∆ABC≅ ∆ACB. Na osnovu toga je ∠ABC≅ ∠ACB. Na isti način dokazujemo obratno tvrđenje. Tada bismo koristili stav USU. q

A

B

C

Trouglovi, kao iz prethodne leme, kod kojih su dve ivice podudarne zovu se jednakokraki trouglovi. Podudarne ivice su kraci, a treća ivica je osnovica tog trougla. Stav 4. (SSU) Dva trougla su podudarna ako su dve ivice i ugao naspram jedne od njih jednog trougla podudarni sa odgovarajućim ivicama i odgovarajućim uglom drugog trougla, a uglovi naspram drugih dveju pomenutih ivica su oba oštra oba prava ili oba tupa. Dokaz: Neka su ABC i A'B'C' dva trougla takva da je AB≅ A'B', BC≅ B'C', ∠BAC≅ ∠B'A'C', a ∠ACB i ∠A'C'B' oba oštra, oba prava ili oba tupa. A'

A

C"

B

C

B'

C'

Dokažimo da je tada AC≅ A'C'. Pretpostavimo suprotno. Ne umanjujući opštost neka, je npr. AC
III Podudarnost

47

možemo još zaključiti da je BC≅ B'C". Na osnovu tranzitivnosti su sada i duži B'C' i B'C" takođe podudarne. Trougao B'C'C" je jednakokraki, pa su prema prethodnoj lemi uglovi B'C'C" i B'C"C' podudarni. Sada su i uglovi A'C"B' i B'C"C' oba oštra, oba prava ili oba tupa. Kako su naporedni ostaje jedina mogućnost da su oba prava. Ali tada bi iz tačke B' postojale dve normale na pravoj A'C', što nije moguće. Dakle, pretpostavka da ivice AC i A'C' nisu podudarne vodi u kontradikciju, pa je moramo odbaciti. Kako je sada AB≅ A'B', AC≅ A'C', ∠BAC≅ ∠B'A'C' na osnovu stava SUS trouglovi ABC i A'B'C' su podudarni. q

Zadaci 1. Dokazati obratno tvrđenje iz leme 1. 2. Medijatrisa duži AB neke ravni je skup tačaka X te ravni takvih da je AX≅ BX. Dokazati. 3. Neka je ABC pravilan trougao (kod koga su sve ivice podudarne). Ako su P, Q, R tačke takve da je B(B,C,P), B(C,A,Q), B(A,B,R) i CP, AQ, BR tri podudarne duži, dokazati da je trougao PQR takođe pravilan.

3.6 Uglovi na transverzali. Zbir uglova u trouglu Sada ćemo razmatrati neke daljnje posledice Plejferove aksiome. Naime, za sve što smo do sada proučavali, u poglavlju podudarnosti, ova aksioma nam nije bila potrebna. To znači da sve do sada navedeno važi, kako u euklidskoj, tako i u geometriji Lobačevskog. Teorema 1. Neka su A, B, P, Q četiri tačke jedne ravni takve da je P,Q AB i ω opruženi ugao. Tada važi ekvivalencija: AP||BQ ⇔ ∠PAB+∠QBA= ω.

48

III Podudarnost

P'

S'

A

P

P'

A

P

α' α

α' α

P1 S β'

Q'

β

B

β'

S" Q

Q'

B

β

Q

Dokaz: Označimo sa P' i Q' proizvoljne tačke takve da je B(P,A,P') i B(Q,B,Q'). Uvedimo oznake: α=∠PAB, β=∠QBA, α'=∠P'AB, β'=∠Q'BA. ⇐. Pretpostavimo da važi α+β=ω. Tada iz α+α'=ω sledi β=α'. Neka je S središte duži AB, S' podnožje normale iz S na pravoj PA, i S" tačka takva da je S"S≅SS' i B(S',S,S"). Na osnovu stava SUS trouglovi SS'A i SS"B su podudarni, pa je i ugao BS"S prav, a ∠SBS"=∠SAS'=α'=β=∠SBQ. Dakle, tačka S" pripada pravoj BQ, pa je S'S" zajednička normala pravih PA i QB. Prema tome je AP||BQ, jer ako bi se prave AP i BQ sekle u nekoj tački X, iz te tačke postojale bi dve razne normale na pravoj S'S", što je u suprotnosti sa teoremom 7, iz odeljka 3.4. ⇒. Neka je AP||BQ. Dokažimo da je α+β=ω. Neka je AP1 prava takva da je Q,P1 AB i ∠P1AB=ω-β. Na osnovu dokazanog u prvom delu teoreme (⇐.), je AP1||BQ. Prema posledici Plejferove aksiome, prave AP i AP1 se poklapaju, pa je α=∠P1AB=ω-β, odnosno α+β=ω. q Razmotrimo sada tzv. uglove na transverzali. To su uglovi koje obrazuje prava koja seče dve razne prave neke ravni. Tu njihovu zajedničku sečicu nazivamo transverzala. Da bismo precizirali o kakvim se uglovima radi, uvedimo sledeće oznake, slične onima iz prethodne teoreme: neka prava t seče dve prave PP' i QQ' u tačkama A i B takvim da je B(P,A,P'), B(Q,B,Q') i P,Q AB. Sa A' i B' označimo tačke prave t takve da je B(A',A,B,B'). Tada:

III Podudarnost

49

(i) Za uglove A'AP i ABQ kaže se da su saglasni. P' A (ii) Za uglove PAB i QBA kao i za uglove PAA' i QBB' kaže se da su P suprotni. B (iii) Za uglove PAB i Q'BA kao i za Q' Q uglove PAA' i Q'BB' kaže se da su B' naizmenični. Inače uglovi na transverzali čiji kraci sadrže duž AB zovu se unutrašnji a oni drugi spoljašnji. Dakle, prethodne pojmove možemo uvesti i na sledeći način: A'

(i) Jedan spoljašnji i jedan unutrašnji ugao sa iste strane transverzale su saglasni uglovi. (ii) Dva spoljašnja ili dva unutrašnja ugla sa iste strane transverzale su suprotni uglovi. (iii) Dva spoljašnja ili dva unutrašnja nesusedna ugla sa raznih strana transverzale su naizmenični uglovi. Za nas će od interesa biti slučaj kad su A prave PP' i QQ' paralelne11: Na osnovu prethodne teoreme (smer ⇒.) zaključujemo da su suprotni uglovi, na B transverzali paralelnih pravih, suplementni. Direktna posledica te teoreme je i da su saglasni uglovi na transverzali paralelnih pravih kao i naizmenični uglovi među sobom podudarni. Moguće je iskazati i teoreme slične prethodnoj u kojima se umesto o suprotnim govori o saglasnim ili naizmeničnim uglovima. Dokažimo sada sledeću značajnu teoremu: Teorema 2. (O uglovima sa paralelnim kracima.) Neka su pOq i p'Oq' dva konveksna ugla neke ravni sa kracima takvim da je p||p' i q||q'. Tada: (i) Ako su oba ugla oštra ili oba tupa tada su oni podudarni. (ii) Ako je jedan ugao oštar a jedan tup tada su oni suplementni. Dokaz: Neka su p1, q1, p'1, q'1 prave odre|ene kracima p, q, p', q' datih uglova. Kako je p1||p'1, prava q'1 mora seći pravu p1 u nekoj tački S. Jedan 11

O uglovima na transverzali paralelnih pravih piše Euklid iz Aleksandrije (III v. pre n. e.), u svom čuvenom delu "Elementi".

50

III Podudarnost

od uglova koji odre|uju prave p1 i q'1 označimo sa α. Sada je prava q'1 transverzala paralelnih pravih p1 i p'1 , a prava p1 transverzala paralelnih pravih q1 i q'1. Tako je svaki od uglova pOq i p'Oq' kao ugao na odgovarajućoj transverzali podudaran ili suplementan uglu α. Dakle, i uglovi pOq i p'Oq' su podudarni ili suplementni. Naravno, ako su oba oštra ne mogu biti suplementni pa su podudarni. Slično ako je jedan ugao oštar a jedan tup tada moraju biti q suplementni. q Prethodna teorema može se iskazati u obliku: * Ako su AOB, A'O'B' uglovi iste orijentacije, tako da je AO||A'O' i BO||B'O', tada su oni podudarni.

q S p

O O'

p

Sada ćemo razmatrati tzv. uglove trougla. Pod uglovima trougla podrazumevamo sve konveksne uglove određene pravama koje sadrže ivice tog trougla a čiji kraci sadrže bar jednu ivicu. Uglovi trougla čiji kraci sadrže po dve ivice tog trougla zovu se unutrašnji uglovi trougla. Ostali se zovu spoljašnji uglovi trougla. Analogno se mogu definisati i unutrašnji i spoljašnji uglovi proizvoljnog n-tougla. Ranije smo napomenuli da je bez Plejferove aksiome moguće dokazati da zbir unutrašnjih uglova trougla nije veći od opruženog ugla tj. 180o. Sada, koristeći teoreme o transverzali paralelnih pravih, koje su posledica Plejferove aksiome, možemo dokazati da u euklidskoj geometriji važi sledeće tvrđenje12: Teorema 3. Zbir unutrašnjih uglova trougla jednak je opruženom uglu. Tj. ako su α, β, γ unutrašnji uglovi nekog trougla, tada je: o α+β+γ=180 . Dokaz: Neka su α, β, γ unutrašnji uglovi trougla ABC koji odgovaraju temenima A, B, C redom. Neka je p prava koja sadrži teme A i paralelna je sa pravom BC. Sa K i L označimo tačke na pravoj p takve da je K,C÷AB i L,B÷AC. Tada su uglovi KAB i 12

K

A

L

α β

γ

B

Pretpostavlja se da je ovo tvrđenje prvi dokazao satrogrčki filozof i matemetičar Pitagora sa ostrva Samosa (VI v. pre n. e.).

C

III Podudarnost

51

β

i uglovi LAC i γ podudarni kao naizmenični na transverzali paralelnih pravih. Dakle: α+β+γ=∠BAC+∠KAB+∠LAC=∠KAL , a ∠KAL je opruženi ugao. q Ostaje nam da dokažemo još dve važne posledice prethodne teoreme. Radi se o odnosu spoljašnjeg ugla trougla prema unutrašnjim uglovima tog trougla. Posledica 1. Spoljašnji ugao nekog trougla jednak je zbiru dva nesusedna unutrašnja ugla tog trougla. Dokaz: Neka je γ ' spoljašnji ugao A nekog trougla, γ njemu susedan α unutrašnji ugao i α i β preostala dva β unutrašnja ugla tog trougla. Tada je na B osnovu prethodne teoreme α+β+γ=180o. Ali kako je i o γ+γ ' =180 , sledi da je γ ' = α+β, što je trebalo dokazati. q

γ'

γ

C

Posledica 2. Spoljašnji ugao nekog trougla veći je od svakog nesusednog unutrašnjeg ugla tog trougla. Dokaz: Direktno iz prethodne posledice jer je zbir dva ugla veći od svakog od njih. q Dokaz sledeće važne teoreme prepuštamo čitaocu: Teorema 2. (O uglovima sa normalnim kracima.) Neka su pOq i p'Oq' dva konveksna ugla neke ravni sa kracima takvim da je p⊥p' i q⊥q'. Tada: (i) ako su oba ugla oštra ili oba tupa oni su podudarni; (ii) ako je jedan ugao oštar a jedan tup oni su suplementni. O'

Kao teorema o uglovima sa paralelnim kracima i ova teorema se može iskazati u obliku: • Ako su AOB, A'O'B' uglovi iste orijentacije, tako da je AO⊥A'O' i BO⊥B'O', tada su oni podudarni.

q q O p

p

52

III Podudarnost

Zadaci 1. Dokazati da je zbir unutrašnjih uglova prostog četvorougla 360o. 2. Dokazati da je zbir unutrašnjih uglova prostog n-tougla jednak (n2)180o. 3. Dokazati da je zbir spoljašnjih uglova trougla 360o. 4. Ako dva ugla imaju paralelne krake njihove bisektrise su paralelne ili normalne. Dokazati.

3.7 Nejednakost trougla Dokažimo sada još dve teoreme kao posledice stavova o podudarnosti trouglova. Teorema 1. Naspram veće ivice u trouglu je veći ugao tog trougla; i obratno, naspram većeg ugla trougla je veća ivica. Dokaz: Neka je ABC trougao kod koga je A AC>AB. Dokažimo da je tada ∠ABC>∠ACB. Kako je AC>AB, postoji tačka B' između tačaka A i C takva da je B' AB≅ AB'. Tada je na osnovu ranije leme ∠ABB'≅ ∠AB'B. Poluprava BB' je unutar C B ugla ABC, pa je ∠ABC>∠ABB'. Dalje, ugao AB'B je spoljašnji ugao trougla BCB' pa je na osnovu ranije teoreme veći od njegovog nesusednog unutrašnjeg ugla B'CB. Koristeći sve dokazano sada je ∠ABC>∠ABB'≅ ∠AB'B>∠B'CB=∠ACB. Dakle, zaista je ∠ABC>∠ACB. Na sličan način dokazujemo i obratno. q Teorema 2. (Nejednakost trougla) Zbir dve ivice trougla veći je od treće. Dokaz: Neka je ABC proizvoljan trougao. Dokažimo da je AB+AC>BC. Sa D označimo tačku takvu da je B(B,A,D) i AD≅ AC.

III Podudarnost

Na osnovu dokazane leme je tada ∠BDC≅ ∠ACD. Poluprava CA je unutar ugla DCB pa je ∠ACD<∠DCB. Tada je i ∠BDC<∠DCB. Primenjujući prethodnu teoremu na trougao BCD zaključujemo da je: BC
53

D A

B

C

Primer 1. Dva jednakokraka trougla su podudarna ako su im podudarne osnovice i uglovi naspram njih. Rešenje: Neka su ABC i A1B1C1 dva jednakokraka trougla sa podudarnim osnovicama BC i B1C1 i takva da je ∠BAC≅∠B1A1C1. Na osnovu leme 1, je ∠ABC≅∠ACB i ∠A1B1C1≅∠A1C1B1. Zbir uglova u trouglu je 180o, pa A A1 je: ∠ABC≅∠ACB≅∠A1B1C1≅∠A1C1B1 1 = (180o-∠BAC). Trouglovi ABC i 2 A1B1C1 su sada podudarni na osnovu USU (BC≅B1C1, stava C B1 B C ∠ABC≅∠A1B1C1, ∠ACB≅∠A1C1B1). Primer 2. Neka je M proizvoljna tačka bisektrise spoljašnjeg ugla kod temena C, trougla ABC. Dokazati da je: MA+MB ≥ CA+CB. Rešenje: Neka je D tačka poluprave BC, A takva da je AC≅CD i B(A,C,D). Tada je M BD=CA+CB. Dalje, trouglovi ACM i DCM su podudarni na osnovu stava SUS (AC≅DC, CM≅CM, ∠ACM≅∠DCM), pa je C D MA≅MD. Sada, primenjujući nejednakost B trougla zaključujemo: MA+MB=MD+MB≥BD=CA+CB. Naravno, jednakost važi u slučaju kad su tačke B, M, D kolinearne tj. M=C.

54

III Podudarnost

Primer 3. Ako je E presečna tačka ivice BC trougla ABC sa bisektrisom unutrašnjeg ugla tog trougla u temenu A, dokazati da je AB>BE i AC>CE.

A

C E Rešenje: Kako je B(B,E,C), ugao AEB je B spoljašnji ugao trougla AEC pa je: ∠BEA>∠EAC≅∠BAE. Naspram većeg ugla u trouglu BAE je veća ivica tj. AB>BE. Na sličan način dokazujemo da važi i druga relacija.

Zadaci 1. Neka su p i q dve normalne prave koje se seku u tački A. Ako su B, B' i C, C' tačke na pravama p i q takve da AB≅ AC', AB' ≅ AC i B(B,A,B'), B(C,A,C'), dokazati da normala iz tačke A na pravoj BC sadrži središte duži B'C'. 2. Neka je S tačka koja pripada uglu pOq. Ako su A i B podnožja upravnih iz tačke S na kracima p i q tog ugla, dokazati da je SA≅ SB ako i samo ako je poluprava OS bisektrisa ugla pOq. 3. Dokazati da je zbir dijagonala konveksnog četvorougla veći od zbira dve naspramne ivice. 4. Neka su ABC i A'B'C' trouglovi takvi da je AB≅ A'B' i AC≅ A'C'. Dokazati ekvivalenciju: BC>B'C' ⇔ ∠BAC>∠B'A'C'.

3.8 Četvorougao, paralelogram, srednja linija trougla Sada ćemo detaljnije proučiti neke vrste četvorouglova, figure definisane još u odeljku 2.2. Napomenimo da ćemo nadalje pod četvorouglom podrazumevati prost četvorougao. Dve ivice četvorougla sa zajedničkim temenom zvaćemo susedne ivice, a one koje nemaju zajedničkih tačaka naspramne ivice. Unutrašnji uglovi čiji kraci sadrže istu ivicu četvorougla

III Podudarnost

55

zovu se susedni uglovi a inače su oni naspramni uglovi. Uvedimo sada specijalnu vrstu četvorouglova. Definicija. Četvorougao ABCD je trapez ako je AB||CD. Ivice AB i CD su osnovice, a BC i AD kraci tog trapeza. Trapez je jednakokraki ako je BC≅AD i nije BC||AD, a pravougli ako je jedan njegov unutrašnji ugao prav. D

A

D

C

B

A

D

C

B

A

C

B

Na osnovu teorema o uglovima na transverzali paralelnih pravih, dva unutrašnja ugla koja odgovaraju kraku trapeza su suplementna. Takođe, to je dovoljan uslov da bi neki četvorougao bio trapez. Sada ćemo uvesti još jednu vrstu četvorouglova, koji predstavljaju specijalnu vrstu trapeza. Radi se o paralelogramima. Njih možemo definisati na razne načine, ali mi ćemo izabrati onaj najprirodniji, a za sve ostale ćemo dokazati da su sa tim ekvivalentni. Definicija. Četvorougao ABCD je paralelogram ako je AB||CD i AD||BC. D C Dakle, paralelogram je četvorougao sa dva para paralelnih naspramnih ivica. U samoj definiciji paralelograma nije korišćen pojam podudarnosti. Naime A B paralelogrami (a takođe i trapezi) se mogu razmatrati i u tzv. afinoj geometriji. To je geometrija zasnovana na svim grupama aksioma euklidske geometrije, osim treće grupe, aksioma podudarnosti. Pojam paralelograma će biti značajan i kod uvođenja vektora, u idućoj glavi. Dokažimo sada sledeću teoremu:

Teorema 1. Neka je ABCD konveksan četvorougao. Tada su sledeći iskazi ekvivalentni: (1) četvorougao ABCD je paralelogram. (2) Svaka dva susedna unutrašnja ugla četvorougla, su suplementni uglovi. (3) Parovi naspramnih uglova četvorougla su parovi podudarnih uglova.

56

III Podudarnost

(4) AB||CD i AB≅ CD13. (5) AB≅ CD i AD≅ BC. (6) Dijagonale četvorougla se uzajamno polove tj. AC i BD imaju zajedničko središte. Dokaz: Označimo sa α, β, γ, δ unutrašnje uglove koji odgovaraju temenima A, B, C, D redom, četvorougla ABCD. Četvorougao je konveksan pa se njegove dijagonale seku u nekoj tački S. Potrebno je dokazati ekvivalentnost iskaza (1) ⇐ (2) ⇐ (3) (1)-(6). Da bismo izbegli dokazivanje svih ⇓ ⇑ ekvivalencija (po dve implikacije) npr. sa (1), (4) ⇒ (5) ⇔ (6) dokaz ćemo pojednostaviti dokazujući implikacije rukovodeći se sledećom šemom: Kao što vidimo to je dovoljno jer npr. implikaciju (1)⇒(2) dokazujemo direktno koristeći: (1)⇒(4)⇒(5)⇒(3)⇒(2). (2)⇒ ⇒(1). Neka su uglovi α i β suplementni. Oni su suprotni uglovi na transverzali AB pravih AD i BC pa je tada AD||BC. Slično, na osnovu suplementnosti uglova β i γ, dokazujemo da je i AB||CD, pa je četvorougao ABCD paralelogram. (3)⇒ ⇒(2). Neka je α=γ i β=δ. Kako je α+β+γ+δ=360o (zbir unutrašnjih uglova svakog četvorougla je 360o jer se dijagonalom može podeliti na dva trougla od kojih svaki ima zbir unutrašnjih uglova 180o), sledi da je o o α+β=180 i β+γ=180 . (1)⇒ ⇒(4). Neka je četvorougao ABCD paralelogram. Tada je AB||CD i AD||BC. Prava AC je transverzala paralelnih pravih AB i CD pa su uglovi CAB i ACD podudarni kao naizmenični. Slično iz paralelnosti pravih AD i BC sledi da su i uglovi ACB i CAD podudarni. Kako je AC≅ AC na osnovu stava USU su trouglovi ACB i CAD podudarni pa je i AB≅ CD. (4)⇒ ⇒(5). Neka je ABCD četvorougao takav da je AB||CD i AB≅ CD. Dokažimo da je i AD≅ BC. Prava AC je transverzala paralelnih pravih AB i CD pa su uglovi CAB i ACD podudarni kao naizmenični. Koristeći činjenicu da je AC≅ AC na osnovu stava SUS zaključujemo da su trouglovi ACB i CAD podudarni. Na osnovu toga je i BC≅ AD.

13

Ovaj ekvivalent, u nešto izmenjenom obliku, navodi Euklid iz Aleksandrije (III v. pre n. e.), u svom čuvenom delu "Elementi".

III Podudarnost

57

(5)⇒ ⇒(3). Neka je ABCD četvorougao takav da je AB≅ CD i AD≅ BC. Dokažimo da je β=δ i α=γ. Zaista kako je AC≅ AC prema stavu SSS je ∆ACB≅ ∆CAD. Tada je i ∠ABC≅ ∠CDA tj. β=δ. Slično dokazujemo i da je α=γ. D C (5)⇔ ⇔(6). Neka je ABCD četvorougao takav da je AB≅ CD i AD≅ BC. Dokažimo S da je tačka S zajedničko središte dijagonala AC i BD. Kako je AC≅ AC na B osnovu stava SSS je ∆ACB≅ ∆CAD. Na A osnovu toga je ∠ACB≅ ∠CAD pa je i ∠SCB≅ ∠SAD. Iz podudarnosti unakrsnih uglova CSB i ASD sledi da su i uglovi SBC i SDA podudarni. Koristeći sada da je AD≅ BC, na osnovu stava USU, zaključujemo da je ∆CSB≅ ∆ASD. Na osnovu toga je SB≅ SD i SC≅ SA tj. tačka S je zajedničko središte dijagonala AC i BD. Obratno, neka je S zajedničko središte dijagonala AC i BD. Tada je SB≅ SD i SC≅ SA. Takođe, podudarni su i unakrsni uglovi CSB i ASD pa je na osnovu stava SUS ∆CSB≅ ∆ASD. Tada je AD≅ BC. Slično dokazujemo i da je AB≅ CD. q

Čitaocu preporučujemo da dokaže prethodnu teoremu koristeći se nekom sličnom šemom. Uvedimo sada još neke vrste četvorouglova za koje se pokazuje da su takođe paralelogrami. Definicija. a) četvorougao kod koga su sve ivice podudarne naziva se romb. b) četvorougao kod koga su svi unutrašnji uglovi podudarni i jednaki 90o naziva se pravougaonik. c) četvorougao kod koga su sve ivice podudarne i svi unutrašnji uglovi podudarni naziva se kvadrat. D

A

C

B

D

C

A

B

D

C

A

B

Zaista lako se dokazuje da je svaki od navedenih četvorouglova ujedno i paralelogram. To je direktna posledica prethodne teoreme. Romb

58

III Podudarnost

je paralelogram na osnovu (5)⇒(1), a pravougaonik na osnovu (2)⇒(1) ili (3)⇒(1). Za kvadrat je jasno da je ujedno pravougaonik i romb pa je samim tim i paralelogram. Dokaz sledeće teoreme prepuštamo čitaocu: Teorema 2. a) Paralelogram je romb ako su mu dijagonale međusobno normalne. b) Paralelogram je pravougaonik ako su mu dijagonale međusobno podudarne. c) Paralelogram je kvadrat ako su mu dijagonale međusobno normalne i podudarne.

Pojam kvadrata uklapa se u opštu definiciju specijalne vrste mnogouglova: Definicija. Mnogougao je pravilan ako su mu sve ivice i svi unutrašnji uglovi međusobno podudarni.

Kvadrat je dakle pravilan četvorougao. Pravilan trougao naziva se i jednakostraničan trougao. Ovo ime, opravdava činjenica da je za neki trougao dovoljno da su mu sve ivice podudarne da bi bio pravilan. To je posledica leme iz prethodnog odeljka. Definicija. Duž čije su krajnje tačke središta dveju ivica nekog trougla naziva se srednja linija tog trougla koja odgovara njegovoj trećoj ivici. Teorema 4. (O srednjoj liniji trougla) Ako su P i Q središta ivica AB i AC redom tada je: 1 PQ= BC i BC||PQ. 2

III Podudarnost

59

Dokaz: Označimo sa R tačku takvu da je A PQ≅ QR i B(P,Q,R). Tada duži AC i PR imaju zajedničko središte pa je, na Q R P osnovu teoreme 1, četvorougao APCR paralelogram. Koristeći opet istu teoremu zaključujemo da su duži AP i RC B C podudarne i paralelne. Tačka P je središte duži AB pa su i duži PB i RC podudarne i paralelne. Opet, na osnovu teoreme 1, četvorougao PBCR je paralelogram. Tada su i duži BC i PR podudarne i paralelne prema istoj teoremi. Konačan zaključak sada sledi iz činjenice da je tačka Q središte duži PR. q

Zadaci 1. Dokazati da se bisektrise unutrašnjih uglova pravougaonika (koji nije kvadrat) seku u tačkama koje su temena jednog kvadrata. 2. Bisektrise unutrašnjih uglova paralelograma (koji nije romb) seku se u tačkama koje su temena jednog pravougaonika, čije su dijagonale paralelne ivicama paralelograma i jednake razlici susednih ivica tog paralelograma. Dokazati. 3. Dokazati da središta ivica proizvoljnog četvorougla predstavljaju temena jednog paralelograma. 4. Ako su P i Q središta krakova AD i BC trapeza ABCD dokazati da je: AB+CD=2PQ. (Duž PQ se naziva srednja linija trapeza.) 5. Ako su K i L presečne tačke srednje linije trapeza ABCD sa njegovim dijagonalama; gde je AB||CD i AB>CD, dokazati da je tada: AB-CD=2KL.

3.9 Značajne tačke trougla Na osnovu unutrašnjih uglova trougla možemo razmatrati tri vrste trouglova. Trougao je oštrougli ako su mu svi unutrašnji uglovi oštri; tupougli je ako ima jedan unutrašnji tup ugao a pravougli je ako mu je jedan unutrašnji ugao prav. Ivica naspram pravog ugla pravouglog trougla

60

III Podudarnost

naziva se hipotenuza a ostale dve su katete, tog trougla. Na osnovu ranije dokazane teoreme (naspram većeg ugla trougla je veća ivica) možemo zaključiti da je hipotenuza pravouglog trougla veća od svake katete. Analogno, ivica naspram tupog ugla tupouglog trougla je njegova najveća ivica.

Iako naizgled jednostavan, trougao je figura sa neočekivano mnogo interesantnih svojstava. Neka od njih ćemo sada razmotriti i ona će biti vezana za četiri karakteristične tačke koje nazivamo značajne tačke trougla. Teorema 1. (O centru opisanog kruga) Medijatrise ivica nekog trougla seku se u jednoj tački. Dokaz: Neka su p, q, r medijatrise ivica BC, CA, AB trougla ABC. Dokažimo najpre da se prave p i q seku. Pretpostavimo suprotno tj. da su one paralelne i disjunktne. Na osnovu posledica Plejferove aksiome, kako prava AC seče pravu q, mora seći i njoj paralelnu pravu p. Prema teoremi o uglovima na transverzali je prava AC normalna i na pravoj p. Iz tačke C bi tada postojale dve normale na pravoj p što nije moguće. Dakle, medijatrise p i q seku se u nekoj tački O. Tačka O je na medijatrisi duži BC pa je OA≅ OB (zadatak 1, odeljak 3.6.). Takođe je i na medijatrisi duži AC pa je OA≅ OC. Tada je i OA≅ OB tj. tačka O je i na medijatrisi r duži AB. q

Tačka O iz prethodne teoreme je, dakle, podjednako "udaljena" od temena A, B, C trougla ABC, pa, prema tome, predstavlja centar jednog kruga koji sadrži sva tri temena tog trougla. Taj krug naziva se opisani krug trougla. Na osnovu prethodne teoreme oko svakog trougla može se opisati krug.

III Podudarnost

61

A

A

q

u r

M K

O

S B

w

v

C B

L

C

p

Teorema 2. (O centru upisanog kruga) Bisektrise unutrašnjih uglova trougla seku se u jednoj tački. Dokaz: Neka su u, v, w bisektrise unutrašnjih uglova α, β, γ kod temena A, B, C redom, trougla ABC. Ako bi prave određene polupravama v i w bile paralelne, na osnovu teoreme o transverzali paralelnih pravih bilo bi o o α/2+β/2=180 . To nije moguće, jer je već α+β<180 , pa se bisektrise v i w seku u nekoj tački S. Neka su K, L, M podnožja upravnih iz tačke S na ivicama AB, BC, AC redom. Trouglovi BSK i BSL su podudarni na osnovu stava USU jer su im svi uglovi podudarni, a imaju jednu zajedničku ivicu. Tada je SK≅ SL. Analogno, kako je tačka S na pravoj w, dokazujemo da je SL≅ SM. Koristeći tranzitivnost zaključujemo da je SK≅ SM. Sada je SA≅ SA, SK≅ SM, ∠AKS≅ ∠AMS=90o, a uglovi KAS i MAS su oba oštra, pa su na osnovu stava SSU trouglovi AKS i AMS podudarni. Sledi da je ∠KAS≅ ∠MAS, pa je poluprava AS bisektrisa ugla α. Dakle, tačka S pripada i polupravoj u. q

Pre nego što utvrdimo šta predstavlja tačka S iz prethodne teoreme, uvedimo sledeći pojam: Definicija. Prava p neke ravni je tangenta kruga k te ravni u tački T ako je T njihova jedina zajednička tačka. Kaže se da u tom slučaju prava p dodiruje krug k u tački T.

Dokažimo sledeći potreban i dovoljan uslov da je neka prava tangenta kruga: Teorema 3. Neka je T tačka kruga k(O,r). Prava je PT tangenta tog kruga u tački T akko je PT⊥TO.

62

III Podudarnost

Dokaz: ⇒. Neka je PT tangenta kruga k u tački T. Ako ugao PTO nije prav, jedan od uglova koji određuju prave PT i TO je oštar. Neka je to ugao ∠OTX=ω<90o. Neka je l poluprava poluravni OTX sa početkom u tački O, takva da je ∠OT,l=180o-2ω. Ako je Y presečna tačka polupravih TX i l, trougao OTY je jednakokraki (∠OTY=∠OYT=ω), pa je OT=OY=r. To nije moguće jer je PT tangenta kruga k, pa sa njim ima samo jednu zajedničku tačku. Dakle, ugao PTO je prav. T

T

Y X

O

T1 O

⇐. Neka je PT⊥TO. Za svaku tačku T1∈PT trougao OTT1 je pravougli sa hipotenuzom OT1, pa je OT1 >OT=r. Dakle, proizvoljna tačka T1 prave PT ne pripada krugu k, pa je PT zaista tangenta tog kruga. q

Tačka S iz teoreme 2, je dakle centar kruga koji sadrži tačke K, L, M. Osim toga prave određene ivicama trougla su na osnovu prethodno dokazanog tangente tog kruga. Zbog toga se pomenuti krug zove upisani krug trougla, a na osnovu teoreme 2, u svaki trougao se može upisati krug. Pre nego što pređemo na razmatranje druge dve značajne tačke uvedimo dva pojma: Definicija. Duž čija je jedna krajnja tačka teme trougla a druga središte naspramne ivice naziva se težišna duž tog trougla. Definicija. Duž čija je jedna krajnja tačka teme trougla a druga podnožje upravne iz tog temena na pravoj određenoj naspramnom ivicom naziva se visina tog trougla. Teorema 4. (O težištu) Težišne duži trougla seku se u jednoj tački, koja ih deli u odnosu 2:1, i to tako da je AT=2TA1; gde su: A teme trougla, A1 središte naspramne ivice i T ta presečna tačka. Dokaz: Neka su A1, B1, C1 središta ivica BC, CA, AB redom trougla ABC. Primenom Pašove aksiome može se dokazati da se težišne duži AA1 i BB1 seku u nekoj tački, označimo je sa T. Sa A2 i B2 označimo središta duži AT i BT. Duž A1B1 je srednja linija trougla ABC koja odgovara ivici AB

III Podudarnost

63

pa je sa njom paralelna i A1B1=½AB. Takođe je B2A2 srednja linija trougla TAB koja odgovara ivici AB pa je i ona sa njom paralelna i A2B2=½AB. Na osnovu ranije teoreme o paralelogramu, zaključujemo da je četvorougao A1B1A2B2 paralelogram, pa mu se dijagonale polove u tački T. Dakle, sada je AA2 ≅ A2T≅ TA1 i BB2 ≅ B2T≅ TB1 tj. AT:TA1 =BT:TB1 =2:1. Potrebno je još dokazati i da težišna duž CC1 takođe sadrži tačku T i da je CT:TC1=2:1. Na isti način kao u prethodnom slučaju možemo dokazati i da se težišne duži CC1 i AA1 seku u nekoj tački T0 tako da je CT0:T0C1=AT0:T0A1=2:1. Ali kako je i AT:TA1=2:1 to je T0=T (jedinstvenost podele duži biće dokazana u odeljku 8.1), čime je dokaz završen. q A

A

R C'

A2 B1

Q B'

H

T B

B2 B

A1

A'

C

C P

Tačka T iz prethodne teoreme naziva se težište trougla ABC. Teorema 5. (O ortocentru) Prave određene visinama nekog trougla seku se u jednoj tački. Dokaz: Neka su p, q, r prave koje sadrže temena A, B, C redom trougla ABC, normalne na njegove odgovarajuće visine AA', BB', CC'. Prava AA' je zajednička normala pravih BC i p, pa je na osnovu teoreme o uglovima na transverzali BC||p. Slično dokazujemo da je AC||q i AB||r. Prave p i q ne mogu biti paralelne, jer bi tada bile paralelne i prave BC i AC, što nije moguće. Dakle, prave p i q se seku i njihovu presečnu tačku označimo sa R. Presečnu tačku pravih p i r označimo sa Q a pravih q i r sa P. Četvorougao BCQA je paralelogram jer je BC||QA i AB||QC. Na osnovu teoreme o paralelogramu je BC≅ QA. Slično dokazujemo da je i četvorougao BCAR paralelogram pa je BC≅ AR. Dakle, važi i QA≅ AR tj. tačka A je središte ivice RQ trougla PQR a prava AA' odgovarajuća medijatrisa. Analogno, i prave BB' i CC' su medijatrise ivica trougla PQR. Na osnovu teoreme 1, prave AA', BB', CC' seku se u nekoj tački H. q

64

III Podudarnost

Tačka H iz prethodne teoreme naziva se ortocentar trougla ABC. Centri opisanog i upisanog kruga, težište i ortocentar trougla zovu se značajne tačke trougla.

Razmotrimo još u kakvom su položaju značajne tačke u zavisnosti od vrste trougla. Težišne duži su uvek u unutrašnjoj oblasti trougla. Na osnovu toga možemo zaključiti da je kod svakog trougla težište u njegovoj unutrašnjosti. Isti zaključak važi i za centar upisanog kruga. Kod oštrouglog trougla podnožja upravnih iz temena su na samim ivicama pa se same visine seku. Dakle, kod oštrouglog trougla ortocentar je u njegovoj unutrašnjosti. Kod pravouglog trougla ortocentar je teme kod pravog ugla. Ortocentar tupouglog trougla je u njegovoj spoljašnjosti. Centar opisanog kruga je u unutrašnjoj ili spoljašnjoj oblasti trougla u zavisnosti da li je on oštrougli ili tupougli. To ovde nećemo dokazivati. Dokažimo samo sledeće tvrđenje: A

A

B O

C

P

A B

C

B

C

III Podudarnost

65

Teorema 6. Centar opisanog kruga pravouglog trougla je središte njegove hipotenuze. Dokaz. Označimo sa O središte hipotenuze AB pravouglog trougla ABC. Neka je P središte njegove katete AC. Tada je OP srednja linija tog trougla koja odgovara kateti BC pa je sa njom paralelna. Iz toga sledi da OP⊥AC. Na osnovu stava SUS trouglovi OPC i OPA su podudarni pa je OC≅ OA. Kako je OB≅ OA, sledi da je tačka O kao središte hipotenuze centar opisanog kruga tog trougla. q

Na osnovu prethodno dokazanog možemo izvesti još dva zaključka: 1. Težišna duž koja odgovara hipotenuzi pravouglog trougla jednaka je njenoj polovini. 2. Ugao nad prečnikom kruga je prav.

Kod pravilnog trougla sve značajne tačke se poklapaju. Tu tačku tada zovemo centar tog trougla. Kod jednakokrakog trougla težišna duž, visina, medijatrisa osnovice i bisektrisa unutrašnjeg ugla naspram nje pripadaju jednoj pravoj. Iz toga sledi da su i značajne tačke tog trougla na toj pravoj. Primer 1. Neka je H ortocentar trougla ABC. Ako su K, L, M, N, središta duži AB, AC, HC, HB, dokazati da je četvorougao KLMN pravougaonik. Rešenje: Duži KL i MN su srednje linije trouglova ABC i HBC i odgovaraju istoj ivici BC, pa su kao takve podudarne i paralelne (KL≅MN=½BC; KL,MN||BC). Dakle, četvorougao KLMN je paralelogram. Dovoljno je dokazati još i da mu je jedan ugao prav. Ali, duž KN je srednja linija trougla ABH, pa je paralelna sa AH tj. sa visinom trougla iz temena A. Dakle, KN je upravna na ivici BC, odnosno njoj paralelnoj duži KL, pa je paralelogram ABCD zaista pravougaonik.

66

III Podudarnost

A

A

Q K

C' K

L

B' L

H

H N B

M

N

M C B

A'

P

C

Primer 2. Dokazati da središta ivica, podnožja visina i središta duži određenih ortocentrom i temenima proizvoljnog trougla pripadaju jednom krugu. (Ojlerov14 krug trougla ili krug devet tačaka) Rešenje: Koristićemo tvrđenje dokazano u prethodnom primeru. Ako su dakle, oznake iste kao u tom primeru, četvorougao KLMN je pravougaonik. Slično ako je P središte ivice BC i Q središte duži AH tada je i PMQK takođe pravougaonik. Kako je KM zajednička dijagonala tih pravougaonika oko njih se može opisati krug (nad KM kao prečnikom). Ostaje da dokažemo da i podnožja visina pripadaju tom krugu. Ali tačka A', kao podnožje visine iz temena A, pripada tom krugu jer je ugao QA'P prav (a PQ prečnik kruga). Slično se dokazuje i za preostale dve tačke.

Zadaci 1. Dokazati da se izometrijskom transformacijom paralelne prave preslikavaju u paralelne prave. 2. Neka je S jedina fiksna tačka izometrije T : E 2 → E 2 . Ako ta izometrija preslikava neku pravu p te ravni u samu sebe dokazati da tada S∈p.

14

L. Ojler (1707-1783), švajcarski matematičar, dokazao je da trougao određen podnožjima visina, i trougao određen središtima ivica nekog trougla imaju zajednički opisani krug. Da pomenutih devet tačaka pripada jednom krugu dokazali su 1821 g. francuski geometričari Ž. V. Ponsele (1788-1867) i Š. Ž. Brijanšon (1783-1864).

III Podudarnost

67

3. Ako su p, q, r prave neke ravni takve da je p||q i r⊥p, dokazati da je tada r⊥q. 4. Dokazati da su bisektrise dva naporedna ugla među sobom normalne. 5. Ako su B' i C' podnožja visina iz temena B i C trougla ABC dokazati ekvivalenciju: AB≅ AC ⇔ BB' ≅ CC' 6. Ako su kod nekog trougla ortocentar i centar opisanog kruga ista tačka, dokazati da je trougao pravilan. Da li slično tvrđenje važi za bilo koje dve značajne tačke trougla? 7. Dokazati da su oštrougli trouglovi ABC i A'B'C' podudarni ako su im podudarne visine CD i C'D', ivice AB i A'B' i uglovi ACD i A'C'D'. 8. Ako je ABCD pravougaonik i ako su trouglovi AQB i APD pravilni i isto orijentisani, dokazati da je duž PQ podudarna dijagonali tog pravougaonika. 9. Neka su BB', CC' visine trougla ABC (AC>AB) i D tačka poluprave AB takva da je AD≅ AC. Ako je E presek prave BB' i prave koja je u tački D paralelna sa AC, dokazati da je BE=CC'-BB'. 10. Neka je ABCD konveksni četvorougao kod koga je AB≅BC≅CD i AC⊥BD. Dokazati da je ABCD romb. 11. Neka je H ortocentar trougla ABC kod koga je CH≅ AB. Odrediti meru ugla ACB. 12. Neka je BC osnovica jednakokrakog trougla ABC. Ako su K i L tačke takve da je B(A,K,B) i B(A,C,L) i KB≅ LC, dokazati da osnovica BC sadrži središte duži KL. 13. Neka je S centar kruga upisanog u trougao ABC. Ako prava koja sadrži tačku S i paralelna je ivici BC tog trougla seče ivice AB i AC redom u tačkama M i N, dokazati da je BM+NC=NM. 14. Ako su P i Q središta ivica BC i CD paralelograma ABCD, dokazati da duži AP i AQ dele dijagonalu BD paralelograma na tri podudarne duži. 15. Neka je ABCD proizvoljan četvorougao i neka su P, Q, K, L, M, N središta duži AB, CD, BC, AD, AC, BD redom. Dokazati da duži PQ, KL, MN imaju zajedničko središte.

68

III Podudarnost

16. Neka je ABCDEFG konveksan sedmougao. Izračunati zbir konveksnih uglova koje određuje poligonalna linija ACEGBDFA. 17. Ako je CD visina nad hipotenuzom AB pravouglog trougla ABC i M i N središta duži CD i BD, dokazati da je AM⊥CN. 18. Dokazati da su središta ivica i podnožje proizvoljne visine trougla (kod koga nikoje dve ivice nisu podudarne), temena jednakokrakog trapeza. 19. Neka je ABC pravougli trougao sa pravim uglom kod temena C. Ako su E i F preseci bisektrisa unutrašnjih uglova kod temena A i B sa naspramnim katetama, a K i L podnožja upravnih iz tačaka E i F na hipotenuzi tog trougla, dokazati da je ∠LCK=45o. 20. Dokazati da se bisektrise unutrašnjeg ugla kod temena A i spoljašnjih uglova kod temena B i C trougla ABC seku u jednoj tački, koja je centar kruga koji dodiruje ivicu BC i prave AB i AC. (tzv spolja upisani krug trougla) 21. Ako je M unutrašnja tačka trougla ABC, dokazati da je: AC+BC>AM+BM. 22. Ako je M unutrašnja tačka trougla ABC, a s njegov poluobim, dokazati da je: s < AM+BM+CM < 2s. 23. Dokazati da je u svakom trouglu najviše jedna ivica manja od odgovarajuće visine. 24. Ako je AA1 težišna duž trougla ABC, dokazati da je od uglova koje ona određuje sa ivicama AB i AC veći onaj koji određuje sa manjom ivicom. 25. Ako su BB1 i CC1 težišne duži trougla ABC, i AB (a+b+c). 2 2 4 27. Ako su M i N središta ivica AB i CD proizvoljnog četvorougla ABCD, dokazati da je:

III Podudarnost

69

1 MN ≤ (BC+AD) 2 28. Dokazati da je zbir dijagonala konveksnog petougla veći od njegovog obima. 29. Ako su ha, hb, hc visine koje odgovaraju ivicama a, b, c nekog trougla, dokazati da važi: 3 ha h h + b + c < . b+ c a+ c a+ b 2 30. Neka je M središte ivice CD kvadrata ABCD i P tačka dijagonale AC takva da je 3AP=PC. Dokazati da je ugao BPM prav. 31. Neka su P, Q, R središta ivica AB, BC, CD paralelograma ABCD. Ako 2 prave DP i BR seku duž AQ u tačkama K i L dokazati da je KL= AQ. 5 32. Neka je D središte hipotenuze AB pravouglog trougla ABC (AC>BC). Ako su E i F preseci polupravih CA i CB sa pravom koja je u tački D normalna na pravoj CD, a M središte duži EF, dokazati da je CM⊥AB. 33. Neka su AKLB i ACPQ kvadrati spolja konstruisani nad ivicama AB i AC trougla ABC. Dokazati da se duži BP i CL seku u tački koja pripada visini trougla ABC iz temena A. 34. Neka su A1 i C1 središta ivica BC i AB trougla ABC. Ako bisektrisa unutrašnjeg ugla kod temena A seče duž A1C1 u tački P, dokazati da je ugao APB prav. 35. Ako su P i Q tačke ivica BC i CD kvadrata ABCD, takve da je poluprava PA bisektrisa ugla BPQ, odrediti meru ugla PAQ. 36. Neka je P središte osnovice BC jednakokrakog trougla ABC i Q podnožje upravne iz tačke P na kraku AC tog trougla. Ako je S središte duži PQ, dokazati da je AS⊥BQ. 37. (i) Dokazati da je centar opisanog kruga najbliži najvećoj stranici trougla. (ii) Dokazati da je centar upisanog kruga najbliži temenu najvećeg ugla trougla. 38. Dokazati da u konveksnom petouglu postoje tri dijagonale koje su podudarne ivicama nekog trougla.

70

III Podudarnost

39. Ako je ABCD konveksan četvorougao, odrediti tačku P tako da zbir AP+BP+CP+DP bude minimalan. 40. Dijagonale AC i BD jednakokrakog trapeza ABCD, osnovice AB, seku se u tački O i ∠AOB=60o. Ako su P, Q, R središta duži OA, OD, BC redom, dokazati da je trougao PQR pravilan. 41. Ako su AB i A'B' dve podudarne duži i C i D središta duži AA' i BB', 1 takve da je CD= AB, odrediti meru ugla koji određuju prave AB i 2 A'B'. 42. Neka je ABC trougao kod koga je ∠ABC=15o i ∠ACB=30o. Ako je D tačka ivice BC, takva da je ugao BAD prav, dokazati da je BD=2AC. 43. Ako je svaka tačka neke ravni "plava" ili "crvena", dokazati da u toj ravni postoji pravilan trougao čija su sva temena iste boje. 44. Ako su: a ivica i d, D najmanja i najveća dijagonala pravilnog devetougla, dokazati da je D-d=a. 45. Neka je O proizvoljna tačka u unutrašnjoj oblasti trougla ABC, takva da je ∠OBA≅ ∠OCA. Ako su P i Q podnožja upravnih iz te tačke na ivicama AB i AC, a A1 središte ivice BC, dokazati da je A1P≅ A1Q. 46. Neka je CC' visina pravouglog trougla ABC (∠ACB=90o). Ako su O i S centri upisanih krugova trouglova ACC' i BCC', dokazati da je bisektrisa unutrašnjeg ugla ∠ACB normalna na pravoj OS. 47. Ako su a, b, c ivice i α, β, γ odgovarajući uglovi trougla, dokazati da je: aα + bβ + cγ 600 ≤ < 900 . a+b+c 48. Neka je K središte ivice CD pravougaonika ABCD i L podnožje upravne iz temena B na dijagonali AC. Ako je S središte duži AL, dokazati da je ugao KSB prav. 49. Dokazati da konveksan n-tougao ne može imati više od tri oštra ugla. 50. Ako su P, Q, R središta ivica BC, AC, AB trougla ABC (AB
III Podudarnost

71

51. Ako je (n,m) mreža pravilnih n-touglova kojih se po m sustiče u svakom temenu prekrivajući celu euklidsku ravan, odrediti sve moguće vrednosti za n i m 15. 52. Neka je AD odsečak bisektrise unutrašnjeg ugla kod temena A trougla ABC. Ako je E tačka ivice AB takva da je ∠BDE≅ ∠BAC, dokazati da je DE≅ DC. 53. Ako su BB' i CC' odsečci bisektrisa unutrašnjih uglova trougla ABC dokazati da je: AB≅ AC ⇔ BB'≅ CC' (Štajner-Lemusova16 teorema). 54. Neka su AP, BQ, CR redom visina, težišna duž i odsečak bisektrise trougla ABC. Ako je trougao PQR pravilan, dokazati da je i trougao ABC takođe pravilan. 55. Neka su ABCD, AEBK, CEFG kvadrati neke ravni istih orijentacija. Dokazati da su B, D, F kolinearne tačke i da je tačka B središte duži DF. 56. Neka je O centar kvadrata ABCD. Ako su P, Q, R tačke koje dele njegov obim na tri jednaka dela, dokazati da se minimum zbira OP+OQ+OR dostiže kada je jedna od tih tačaka središte ivice kojoj pripada. 57. Neka je P konačan skup tačaka neke ravni, koje nisu sve na istoj pravoj, a L skup svih pravih od kojih svaka sadrži bar dve tačke skupa P. Ako su P0∈P, l0∈L, P0∉l0 prava i tačka takve da:

15

Ovaj problem rešio je znameniti starogrčki filozof i matematičar Pitagora sa ostrva Samosa, (VI v. pre n. e.). U zadatku se radi o tzv. pravilnim teselacijama ravni. Pod teselacijama ravni uopšte, podrazumevamo prekrivanje ravni proizvoljnim mnogouglovima. Moguće je npr. prekriti ravan proizvoljnim podudarnim četvorouglovima (v. zad. 11.111). Ukoliko dopustimo da u prekrivanju ravni učestvuje više (konačno mnogo) vrsta pravilnih mnogouglova, tada, osim tri pravilne teselacije iz zadatka, postoji još osam tzv. Arhimedovih teselacija. Dokaz tog tvrđenja izveo je nemački astronom, matematičar i fizičar J. Kepler (1571-1630). 16 D. C. L. Lemus (1780-1863), francuski matematičar, je 1840. g. poslao ovo, na prvi pogled jednostavno, tvrđenje čuvenom švajcarskom geometričaru J. Štajneru (17961863), koji je izveo dosta složen dokaz istog. Nakon toga, dato je više raznih rešenja ovog problema, jedno od njih objavio je francuski matematičar A. Poenkare (18541912), 1908 g.

72

III Podudarnost

(∀P∈P)(∀l∈L)(P∉l⇒d(P,l)≥d(P0,l0)), gde je sa d(P,l) označeno rastojanje tačke P od prave l, dokazati da prava l0 sadrži tačno dve tačke skupa P. 58. Neka je P konačan skup tačaka neke ravni, koje nisu sve na istoj pravoj, dokazati da postoji prava koja sadrži tačno dve tačke skupa P (Silvesterov17 problem).

17

J. J. Silvester (1814-1897), engleski matematičar, postavio je ovaj problem 1893. g., koji u to vreme nije rešen i bio je zaboravljen četrdeset godina. Naš matematičar J. Karamata (1902-1967) i mađarski matematičar P. Erdeš (1913-1996) su ga obnovili 1933. g., a mađarski matematičar T. Galaj ga je iste godine rešio. Posle toga, objavljeno je više rešenja istog problema, jedno od njih je sugerisano u 57. zadatku. Godine 1961. veliki kanadski geometričar H. S. M. Kokseter (1907) je dokazao to tvrđenje bez korišćenja podudarnosti, kao posledicu samo aksioma incidencije i rasporeda.

Glava IV

Vektori

4.1 Definicija vektora. Sabiranje vektora Vektore ćemo uvesti pomoću jedne relacije među parovima tačaka, i to na osnovu aksioma I, II, IV i V grupe, dakle bez aksioma III grupe (aksioma podudarnosti). U odeljku 3.7, geometriju zasnovanu na tim grupama aksioma nazvali smo afina geometrija. Pri definisanju pomenute relacije koristi se pojam paralelograma, koji smo, u tom odeljku, već uveli bez aksioma podudarnosti. Definicija. Parovi tačaka (A,B) i (C,D) su u relaciji ∼ ako važi: (a) ABDC je paralelogram. ili (b) A, B, C, D su kolinearne i ABFE i CDFE su paralelogrami za neke tačke E, F. ili (c) A=B i C=D. C

E

D

F

A=B A

B

A

B

73

C

D

C=D

74

IV Vektori

Pre nego što zaključimo da je ovako uvedena relacija ∼ relacija ekvivalencije, dokažimo jednu pomoćnu teoremu: Lema 1. Ako su ABDC i CDFE paralelogrami i A, B, E, F nekolinearne tačke, tada je i četvorougao ABFE paralelogram. Dokaz: Kako važi AB||CD i CD||EF to je, zbog tranzitivnosti relacije E

F

C

G

H E

D

A

B

α

F D

C A

B

paralelnosti pravih, AB||EF. Treba još dokazati da je AE||BF. Razlikovaćemo dva slučaja: 1) Neka su ABDC i CDFE paralelogrami u raznim ravnima. Zbog paralelnosti i različitosti pravih AC i BD odnosno CE i DF, važi da su ravni ACE i BDF disjunktne. Razne paralelne prave AB i EF obrazuju ravan koja te disjunktne ravni ACE i BDF seče po paralelnim i različitim pravama AE i BF. 2) Neka su ABDC i CDFE paralelogrami neke ravni i neka su G i H tačke van ravni tako da je četvorougao ABHG paralelogram. Onda na osnovu 1) zaključujemo da su paralelogrami redom: CDHG, EFHG i ABFE.q Teorema 1.* Relacija ∼ je relacija ekvivalencije.

Dakle, skup svih uređenih parova tačaka prostora razbijen je na klase ekvivalencije. Definicija. Svaku od klasa ekvivalencije na koje je skup uređenih parova, tačaka prostora, razbijen pomoću relacije ∼ nazivamo vektor.

Dakle, skup svih parova tačaka koje su u relaciji ∼ sa parom (A,B) čini jednu klasu ekvivalencije tj. jedan vektor, označavaćemo ga sa AB . To možemo zapisati i na sledeći način: AB = {( X , Y ); ( X , Y ) ∼ ( A, B )}

IV Vektori

75

r r r Vektore ćemo označavati malim latiničnim slovima npr. u, v , w. . . ako nije potrebno istaći o kom se predstavniku klase radi. r Skup svih klasa ekvivalencije, tj. skup svih vektora označavaćemo sa A. Ako je AB neki vektor i A≠B onda je pravac tog vektora prava AB ili bilo koja njoj paralelna prava. Smer tog vektora je odr A ka B. Ako je A=B, vektor AA nazivamo nula vektor i označavamo 0 . Vektori istog pravca zovu se kolinearni vektori. Posebno, vektor BA je suprotan r r vektor vektora AB = v i označava se sa - v . Vektori čiji su pravci paralelni istoj ravni zovu se komplanarni vektori. r Teorema 2. Za svaku tačku A i svaki vektor v , postoji jedinstvena tačka r B takva da je AB = v . r Dokaz: Najpre ako je v nula vektor tada je B=A tražena tačka. r Razmotrimo slučaj kada v nije nula vektor. Neka je (C,D) proizvoljan r r predstavnik klase v tj. neka je CD = v . Ako tačka A ne pripada pravoj CD tada je tražena tačka B teme paralelograma CDBA. Ako A∈CD tada možemo iskoristiti pomoćni paralelogram CDFE, pa je tačka B teme paralelograma EFBA. Na osnovu definicije relacije ∼, u oba slučaja je r (A,B)∼(C,D). Tada je AB = CD = v . Jedinstvenost sledi iz jedinstvenosti četvrtog temena paralelograma. q r r Definicija. Neka je A proizvoljna tačka i u , v proizvoljni vektori. Zbir r r r r vektora u = AB i v = BC je vektor u + v = CD . C'

C

r r u +v

r v

r u A

B

A'

B'

Definicija je korektna ako vektor ne zavisi od izbora tačke A, a to je tvrđenje sledeće teoreme: Teorema 3. Ako su A, B, C, A', B', C' tačke, takve da je AB = A' B ' i BC = B'C ' tada je i AC = A'C ' .

76

IV Vektori

Dakle, tvrdimo da vektori AC i AC ' predstavljaju istu klasu koju smo već nazvali zbirom vektora. Dokaz izostavljamo, a izvodi se razlikovanjem slučajeva u kojima se između ostalog koristi i lema 1. Na osnovu prethodne dve teoreme možemo zaključiti: • •

(∀A,B,C) AB + BC = AC , tzv. pravilo trougla za sabiranje vektora (tačke A, B, C ne moraju biti kolinearne). r r r (∀A)(∀ v ∈ A )(∃1B) AB = v , tzv. pravilo nadovezivanja.

Pokazuje se da skup svih vektora u odnosu na operaciju sabiranja vektora čini strukturu tzv. komutativne grupe ili Abelove18 grupe (u odeljku 3.1, spomenut je pojam grupe; grupa je komutativna ako je zadovoljena i komutativnost). Svojstva te strukture date su u iskazu sledeće teoreme: Teorema 4.* (i) Zbir dva vektora je vektor. (ii) Za sabiranje vektora važi asocijativni zakon. r r r r r (iii) Postoji vektor e , tako da za svaki vektor v važi: v + e = v . r r r r r (iv) Za svaki vektor v postoji vektor u , takav da je: v +u = e . r r r r r r (v) Za svaka dva vektora v i u je: v +u =u + v (komutativnost).

Ovde, kao posledicu (ii), možemo navesti tzv. pravilo poligona za sabiranje više vektora: r • A1 A2 + A2 A3 + L + An−1 An + An A1 = 0 . C

A3

An

A1

A

D

B

A2

Takođe, kao posledicu (v), možemo navesti i tzv. pravilo paralelograma za sabiranje dva vektora: •

Ako su A,B,C nekolinearne tačke tada je AB + AC = AD ; gde je ABDC paralelogram. Posebno istaknimo sledeće tvrđenje:

18

N. H. Abel (1802-1829), norveški matematičar.

IV Vektori

77

Teorema 5. Ako je AB = CD , tada je i AC = BD . Dokaz: Zaista na osnovu teoreme 2 i teoreme 4 sledi: AC = AB + BC = BC + AB = BC + CD = BD . q

Primetimo da to tvrđenje važi nezavisno od toga da li je ABCD paralelogram ili ne. Definicija. (Množenje vektora celim brojem.) Neka je AB vektor i n prirodan broj. Tada: r (i) 0 ⋅ AB = 0 ; (ii) n ⋅ AB = (n − 1) ⋅ AB + AB ; (iii) (− n) ⋅ AB = −(n ⋅ AB ) .

Dokaz naredne teoreme je neposredan i prepuštamo ga čitaocu. Teorema 6. Ako je AB proizvoljan vektor i m, n celi brojevi, tada je: (i) 1 ⋅ AB = AB ; (ii) (m + n) ⋅ AB = m⋅ AB + n ⋅ AB ; (iii) (mn) ⋅ AB = m(n ⋅ AB ) .

Zadaci 1. Dokazati:

r (i) Za bilo koje tri tačke je AB + BC + CA = 0 . (ii) Zbir zatvorenog sistema nadovezanih vektora: A1 A2 + A2 A3 + L + An−1 An + An A1 je nula vektor. r r r r 2. Odrediti neke vektore a, b, c, d čiji je zbir jednak: (i) jednom od njih; (ii) razlici neka dva.

3. Neka su A, B, C, D proizvoljne tačke prostora. Da li važi: (i) AB + BD = AD + BC ? (ii) AB = DC ⇒ AC + BD = 2 ⋅ BC ? 4. Neka je ABCDE petougao neke ravni. Dokazati da u toj ravni postoji petougao, čije ivice određuju vektore, jednake redom vektorima određenim dijagonalama petougla ABCDE.

78

IV Vektori

5. Neka je ABCD četvorougao tačka prostora. U funkciji r i O proizvoljna r r r vektora OA = a , OB = b , OC = c , OD = d izraziti vektore ivica i dijagonala datog četvorougla. 6. Neka je O proizvoljna tačka i ABCD neki četvorougao. Da li važi ekvivalencija: ABCD je paralelogram akko je OA + OC = OB + OD ? 7. Neka je ABCD paralelogram i M proizvoljna tačka prostora. Ako je O presečna tačka dijagonala tog četvorougla, dokazati da je: 4 ⋅ MO = MA + MB + MC + MD . 8. Ako su nad ivicama trougla ABC konstruisani paralelogrami ABB1A2, BCC1B2, CAA1C2, dokazati da važi: r A1 A2 + B1B2 + C1C2 = 0 . Da li rezultat važi bez obzira da li su konstruisani paralelogrami: (i) U ili van ravni trougla? (ii) U oblasti ili van oblasti trougla? 9. Neka su A, B, C, D četiri nekomplanarne tačke. Da li se duži određene tim tačkama mogu orijentisati tako da zbir dobijenih vektora bude nula vektor? Pod kojim uslovima se projekcije tih duži na proizvoljnu ravan mogu orijentisati tako da zbir dobijenih vektora bude nula vektor?

4.2 n-ti deo vektora. Množenje vektora racionalnim skalarom Sada ćemo proširiti operaciju množenja vektora celim brojem do operacije množenja vektora racionalnim O brojem. I u ovom odeljku sva tvrđenja mogu se dokazati bez korišćenja A1 B1 aksioma podudarnosti. Tako se npr. naredna teorema može dokazati u afinoj geometriji.* U euklidskoj geometriji, u A B jednom od slučajeva, ona je direktna posledica teoreme o srednjoj liniji iz odeljka 3.7.

IV Vektori

79

Teorema 1.* (i) Ako je OA1 = A1 A i OB1 = B1B tada je AB = 2 ⋅ A1 B1 .

(ii) Ako je OA1 = A1 A , A1≠O i ako su B1 i B tačke neke prave koja sadrži tačku O i različita je od prave OA1 onda važi: OB1 = B1B ⇔ A1B1 || AB ⇔ AB = 2 ⋅ A1 B1 . Sada ćemo dokazati da se tzv. paralelnim projektovanjem jednaki vektori projektuju u jednake vektore. Teorema 2. (i) Neka su A, B, C, D tačke neke prave p i A', B', C', D' tačke preseka paralelnih pravih, koje sadrže tačke A, B, C, D, i neke prave p'. Ako je AB = CD tada je A' B' = C ' D' . Dokaz: (i) Neka su X i Y tačke takve da je A' X = AB i C 'Y = CD . Dakle važi A' X = C 'Y odnosno, zbog teoreme 5. iz prethodnog odeljka, važi A' C ' = XY (1). Takođe je i A' A = BX i CC ' = DY . Ako su tačke X i Y različite, one se, dakle, nalaze na različitim paralelnim pravama kroz B odnosno D, koje pravu p' seku u tačkama B' i D' ; s druge strane iz (1) zaključujemo da su prave XY i A'C'=B'D'=p' paralelne. Dakle, XYD'B' je paralelogram, tj. važi B ' D ' = XY . Tada je A'C'=B'D' (jer su oba vektora jednaka sa XY ), pa je, opet na osnovu pomenute teoreme, A' B' = C ' D' , što je trebalo dokazati. Ako je X=Y tada zbog (1), na osnovu definicije vektora zaključujemo, da je A'=C' (2). Odatle sledi A=C odnosno B=D (iz AB = CD ), odnosno B'=D' (3). Traženi zaključak sledi iz (1) i (3). q b

Bn

B'

D' p ' Y

C'

A'

Bn-1 B2 B1

B0

...

X A

B

C

D

p

a A0

A1

A2

An-1

An

Teorema 3. Neka paralelne prave c0, c1,...,cn seku prave a i b u tačkama A0, A1,...,An i B0, B1,...,Bn redom. Ako je A0 A1 = A1 A2 = + L = An−1 An tada

je B0 B1 = B1B2 = + L = Bn−1Bn .

80

IV Vektori

Ako je, uz prethodno, i A0=B0=O tada važi An Bn = n ⋅ A1 B1 . Prvi deo je jednostavno uopštenje prethodne teoreme. Drugi deo bismo dokazivali pomoću principa matematičke indukcije. Za n=2 tvrđenje važi Bn

O Bn-1 A1

C

B1 B1

A2

B2

C

O

...

A1

An-1

An

na osnovu teoreme 1(i). Dalji deo dokaza izostavljamo. Teorema 4. Neka razne komplanarne prave c0, c1,...,cn seku prave a i b u tačkama A0, A1,...,An i B0, B1,...,Bn redom. Ako je A0 A1 = A1 A2 = + L = An−1 An i B0 B1 = B1B2 = + L = Bn−1Bn i ako je c1||c0 tada je c1 paralelna sa svim pravama c2,...,cn. Posebno ako je A0=B0=O onda se iz formulacije može izbaciti prava c0 i uslov c1||c0.

Napomenimo da se dokaz teoreme 4 svodi na teoremu 3. r r Teorema 5.* Za vektore u = A1O i v = OB1 i proizvoljan prirodan broj n važi: r r r r n(u + v )=nu +n v . C

O r v

r u A1

r r u +v

r nu An

r r r r n u +n v =n ( u + v )

r b

r a

B1 A1

r nv

Bn

An

r u

O

r v

B1

C

Bn

IV Vektori

Konačno, možemo definisati i vektor

81

1 AB kao n-ti deo vektora i n

m m AB (m∈Z, n∈N tj. ∈Q), s tim što je naredna teorema 6, n n neophodna za obrazloženje korektnosti takve definicije. vektor

1 AB (n∈N) je vektor CD takav da je n⋅ CD = AB . n  1 m (ii) Vektor AB (m∈Z, n∈N) je jednak vektoru m1  AB  ; n   n1 m pri čemu je 1 redukovan razlomak. n1

Definicija. (i) Vektor

1 m AB zovemo n-ti deo vektora AB. Vektor AB je n n proizvod vektora AB racionalnim brojem, češće kažemo racionalnim m skalarom . Lako se dokazuje da je n-ti deo nula vektora nula vektor, pa n je na osnovu toga i proizvod nula vektora racionalnim skalarom takođe nula vektor. 1 1 Posebno AB je polovina vektora AB . Ako je AC = AB i A≠B 2 2 tada je, u euklidskoj geometriji, tačka C središte duži AB. Sada je jasno, da se pojam središta duži može uvesti i u afinoj geometriji, bez aksioma podudarnosti.

Vektor

•

Često vezu = AB = k ⋅ CD , k∈Q zapisujemo u obliku

AB : CD = k . Teorema 6. n-ti deo vektora je jednoznačno određeni vektor.

AB = k ili CD

82

IV Vektori

Bn Dokaz: Odredimo n-ti deo vektora OA ; O≠A. Označimo A=An i označimo sa b neku pravu koja sadrži tačku O a ne sadrži tačku An. Neka su B1, B2, ...,Bn tačke na B1 pravoj b takve da je: OB1 = B1B2 = + L = Bn−1Bn . O A=A A1 Sa A1 označimo presečnu tačku prave OAn sa pravom kroz tačku B1, koja je paralelna sa AnBn. Prema prethodnoj teoremi i definiciji je OA1 n-ti deo vektora OAn tj. OA. Dokažimo jedinstvenost. Ako bi važilo i nOA1 ' = OAn za neku tačku A'1, tada bi zbog prethodne teoreme važilo A'1B1||AnBn, pa po Plejferovoj aksiomi sledi A1=A'1.q

Rezultate teoreme 6, iz prethodnog odeljka, i teoreme 5, ovog odeljka, proširujemo na proizvod vektora racionalnim skalarom: r r Teorema 7. Ako su p, q racionalni brojevi i u , v , AB proizvoljni vektori, tada važi: (i) ( p + q ) AB = p AB + q AB ; (ii) ( pq ) AB = p (q AB) ; (iii) 1 ⋅ AB = AB ; r r r r (iv) p(u + v )=pu +p v . Dokaz je neposredan (primena množenja vektora i n-tog dela vektora...). q Ako uzmemo u obzir da pored rezultata prethodne teoreme (i)-(iv), važi i da skup svih vektora čini komutativnu grupu u odnosu na sabiranje vektora, onda po definiciji kažemo da taj skup čini tzv. vektorski prostor nad poljem Q. Teorema 8. (Talesova19teorema - specijalni slučaj) (i) Ako razne komplanarne prave c, b i a||b seku razne prave p i p' u tačkama C, B, A i C', B', A' redom i ako za neko k∈Q važi AB:AC =k, tada važi ekvivalencija: b||c ⇔ A' B ' : A' C ' =k 19

Starogrčki filozof i matematičar Tales iz Mileta (VII-VI v. pre n. e.).

IV Vektori

83

(ii) Ako je A=A' tada iz bilo kojeg od ekvivalentnih iskaza b||c ili A' B ' : A' C ' =k sledi BB' : CC ' =k.

m redukovan razlomak; m∈Z, n∈N, i neka su: n A1, A2,...,A|m|-1, odnosno C1,C2,...,Cn-1 takve da važi AA1 = A1 A2 = + L = A m −1B i AC1 = C1C2 = + L = Cn−1Cn (tj. podelili smo vektore AB i AC na |m| odnosno n delova). Tvrđenje sada sledi na osnovu teoreme 2 (ii). q

Dokaz: Neka je k=

C' C'

p B'

A' B' B b

A

C

a

c

p

A=A' B

C

Zadaci 1. Neka je ABC trougao r i A1, B1, C1 središta ivica BC, CA, AB. Dokazati: (i) AA1 + BB1 + CC1 = 0 ; (ii) MA + MB + MC = MA1 + MB1 + MC1 , ako je M proizvoljna tačka; (iii) Postoji trougao PQR takav da za tačke P, Q, R važi: PQ = CC1 , PR = BB1 , RQ = AA1 . 2. Ako su M i N središta duži AC i BD dokazati da je: AB + CD = 2MN . 3. U svakom četvorouglu duži određene središtima naspramnih ivica i duž određena središtima dijagonala seku se u jednoj tački koja je središte sve tri duži. Da li rezultat važi i ako je četvorougao: (i) prostorni ? (ii) nije prost ? 4. Ako su M, N, P, Q, R, S središtarivica redom, proizvoljnog šestougla, dokazati da je MN + PQ + RS = 0 .

84

IV Vektori

5. Neka su K i L tačke ivice AD i dijagonale AC paralelograma ABCD, 1 1 takve da je AK : KD = i AL : LC = . Dokazati da su tačke K, L, B 3 4 kolinearne. 6. Neka su A, B, C, D proizvoljne tačke. Ako je E središte duži AB i F i G takve da važi EF = BC i EG = AD , dokazati da su tačke G, S, F kolinearne pri čemu je tačka S središte duži CD. 7. Tačke M, N, P, Q su središta ivica AB, BC, CD, DE petougla ABCDE. Dokazati da je duž XY koja je određena središtima duži MP i NQ paralelna sa pravom AE i odrediti: XY : AE . r 8. Tačka T je težište figure {Aii∈I} ako važi : ∑ TAi = 0 . Ako se figura i∈I

sastoji od konačnog broja tačaka A1, A2,...,An, dokazati da važi: (i) težište je jedinstveno; (ii) ako je T težište i O proizvoljna tačka prostora tada je: 1 OT = OA1 + OA2 + L + OAn . n

(

)

9. Ako su T i T' težišta n-torki (A1,A2,...,An) i (A'1,A'2,...,A'n), izračunati: A1 A1 ' + A2 A2 ' + L + An An ' . 10. Četvorke (A,B,C,D) i (Ar',B',C',D') imaju zajedničko težište akko je AA' + BB' + CC ' + DD' = 0 . Dokazati.

4.3 Proizvod vektora realnim skalarom Uveli smo vektore i operacije sabiranja vektora i množenja vektora racionalnim skalarom. Sada ćemo to proširiti na množenje vektora realnim skalarom. Koristeći aksiomu neprekidnosti, može se uvesti mera vektora istog pravca (a samim tim i mera duži, za duži istog pravca), na osnovu čega uvodimo operaciju množenja vektora realnim skalarom.

IV Vektori

85

Definicija. Za svaku duž AB (A≠B), svaki D D C realan broj λ>0, i svaku tačku C neke prave p, koja je paralelna sa AB, postoje tačno dve A tačke D1 i D2 te prave, za koje važi B CD1 = CD2 = λ AB gde su CD1 , CD2 , AB oznake za mere odgovarajućih vektora odnosno duži. λ AB biće onaj od vektora CD1 i CD2 koji je istog smera kao AB , a − λ AB je onaj preostali.

Kao i u slučaju množenja vektora racionalnim skalarom, vezu CD CD=λAB zapiasivaćemo i u obliku = λ odnosno CD : AB = λ . AB Sledeću teoremu dajemo bez dokaza: Teorema 1. Skup svih vektora čini vektorski prostor nad poljem R.

Svojstva (i), (ii), (iii) (v. teoremu 7, iz odeljka 4.2) slede iz svojstava merenja duži na paralelnim pravcima, a (iv) tj. Talesova teorema u polju R se izvodi iz Talesove teoreme u polju Q (teorema 8, iz odeljka 4.2) i aksiome neprekidnosti. Napominjemo da dokaz nije složen, ali zahteva znanje o graničnim vrednostima. Teorema 2. (Talesova teorema - direktna i obratna) (i) Ako razne komplanarne prave c, b i a||b seku razne prave p i p' u tačkama C, B, A i C', B', A' tada važi ekvivalencija:

b||c ⇔

AB A' B' = CD C ' D'

(ii) Ako je, uz prethodno, i A=A'=O tada: b||c ⇔

OB OB' = , OC OC '

a iz oba ekvivalentna uslova sledi:

OB BB' = . OC CC '

86

IV Vektori

C'

p'

C'

p B'

B' A'

c

b A

B a

b

C

A=A'= c

p

B

C

p

Neposredno se dokazuju sledeća svojstva u kojima se algebarski karakterišu ranije definisani pojmovi (ne)kolinearnosti i (ne)komplanarnosti vektora: r r • Vektori u i v su kolinearni akko se bar jedan od njih može prikazati r r pomoću drugog. Vektori u i v su nekolinearni akko se nijedan od njih ne može prikazati pomoću drugog. r r r r r • Vektori u i v su nekolinearni (kolinearni) akko jednačina αu +β v = 0 po α, β ∈ R ima (nema) tačno jedno (tzv. trivijalno) rešenje α=β=0. r komplanaran sa • Ako je vektor v r r r r b nekolinearnim vektorima a i b , tada se rv r r r može na jedinstvenr način izraziti: v =α a +β b , v r r βb preko vektora a i b . r r r r a r • Vektori u , v , w su komplanarni akko se bar αa jedan od njih može izraziti preko ostala dva. r r r Vektori u , v , w su nekomplanarni akko se nijedan od njih ne može izraziti preko ostala dva. r r r • Vektori u , v , w su nekomplanarni (komplanarni)r akko jednačina r r r αu +β v +γ w = 0 po α, β, γ ∈ R ima (nema) samo jedno rešenje α=β=γ=0. r jedinstven način prikazati pomoću tri • Svaki vektor v može se na r r r r r r r nekomplanarna vektora a , b , c : v =α a +β b +γ c . Napomena: Za kolinearne, odnosno komplanarne vektore, kasnije ćemo koristiti opštiji naziv: linearno zavisni vektori u prostoru, a dva nekolinearna odnosno tri nekomplanarna vektora nazivaćemo linearno nezavisni vektori.

IV Vektori

87

Definicija. Ako je AC : CB = α (α∈R i α≠-1), kaže se da tačka C razlaže ili deli duž AB u odnosu α. Primer. Neka su O, A, B, C proizvoljne tačke. Tada važi: (i) A, B, C su kolinearne akko OC = λ OA + (1 − λ )OB , za neko λ∈R; (ii) Ako tačka C razlaže duž AB u odnosu α∈R (α≠-1), tada je: 1 α OC = OA + OB . α +1 α +1 A

Rešenje: (i) OC = λ OA + (1 − λ )OB ⇔

⇔ OC = λ OA + OB − λ OB ⇔ OC − OB = λ (OA − OB) ⇔ BC = λ BA . (ii) Ekvivalentno transformišimo dobijenu vezu BC = λ BA : BC = λ ( BC + CA) ⇔ λ CB − CB = −λ AC

B

C

O

AC 1 − λ = . λ CB 1− λ 1 Po definiciji je AC : CB = α . Iz =α sledi λ= i λ α+1 α≠-1 tj. 1 α OC = OA + OB (α≠-1). α +1 α +1 ⇔ (λ − 1)CB = −λ AC ⇔

Zadaci 1. Ako je ABCD četvorougao čije su ivice AB i CD paralelne, dokazati AB + DC = 2MN , gde su M i N središta ivica AD i BC. (Stav o srednjoj liniji trapeza.) 2. Neka su M, N, P, Q središta ivica AB, BC, CD, DA četvorougla ABCD. Da li važi da je ABCD paralelogram akko je: (i) 2MP = BC + AD i 2 NQ = BA + CD ? (ii) 2 MP + 2 NQ = AB + BC + CD + DA ?

88

IV Vektori

3. Neka su E, F, G središta ivica AB, BC, CD paralelograma ABCD i neka prave BG i DE seku AF u tačkama N i M. Izraziti AF, AM, AN u funkciji vektora AB i AD . Dokazati zatim da tačke M i N razlažu duž AF u odnosu 2:2:1. 4. Dokazati da se težišne duži AA1, BB1, CC1 trougla ABC ravni seku u jednoj tački T za koju važi: (i) AT = 2TA1 , BT = 2TB1 , CT = 2TC1 ; 1 (ii) XT = XA + XB + XC , za proizvoljnu tačku X. 3

(

)

5. Neka su A, B, C, D četiri nekomplanarne tačke. Ako su AT, BT, CT, DT težišta trouglova BCD, ACD, ABD, ABC dokazati da se duži AAT, BBT, CCT, DDT seku u jednoj tački T. U kom odnosu ta tačka razlaže te duži? 6. Neka su P, Q, R, S težišta trouglova ABD, BCA, CDB, DAC. Dokazati da se poklapaju težišta četvorki tačaka (P,Q,R,S) i (A,B,C,D). 7. Ako su A, B, C težišta trouglova OMN, ONP, OMP dokazati da su težište trougla MNP, težište trougla ABC i tačka O - tri kolinearne tačke. 8. Neka je A1A2A3A4A5A6 šestougao i B1, B2, B3, B4, B5, B6 težišta trouglova čija su temena tri uzastopna temena šestougla A1A2A3A4A5A6. (Smatra se da iza A6 sledi A1.) Dokazati da ta težišta određuju šestougao sa tri para paralelnih ivica. Da li tvrđenje važi ako šestougao: (i) nije komplanaran; (ii) nije prost? 9. Neka su O, A, B, C, D proizvoljne tačke. Dokazati ekvivalenciju: A, B, C, D su komplanarne akko OD = (1 − λ − µ )OA + λ OB + µ OC za neke λ, µ ∈ R. 10. Neka je CC1 težišna duž trougla ABC i P proizvoljna tačka na ivici AB tog trougla. Ako je l prava koja sadrži tačku P, paralelna je sa CC1 i seče prave AC i BC u tačkama M i N, dokazati da je: PM + PN = AC + BC .

IV Vektori

89

11. Neka je O tačka u ravni trougla ABC i D, E tačke ivica AB odnosno AD BE m = = . Ako je F presečna tačka duži AE i BC takve da je DB EC n CD, izraziti OF u funkciji OA , OB , OC , m, n. 12. Neka su K, L, M, N tačke koje pripadaju ivicama AB, BC, CD, DA četvorougla ABCD. Ako važi: AK : KB = BL : LC = CM : MD = DN : NA = λ (λ≠±1) i ako je četvorougao KLMN paralelogram, onda je i četvorougao ABCD paralelogram. Dokazati. 13. Odrediti skup središta duži PQ ako su P i Q proizvoljne tačke datih mimoilaznih pravih p i q.

4.4 Vektori u euklidskoj geometriji Uveli smo merenje vektora odnosno duži na međusobno paralelnim pravcima. Ako uključimo i preostale aksiome III grupe, prelazimo na euklidsku geometriju. Duži se onda, kao što smo videli u prethodnoj glavi, porede bez obzira na pravac, upoređuju se uglovi, definiše se normalnost. U tom slučaju lako se dokazuje: • AB = CD ⇒ AB≅CD. To tvrđenje je posledica teoreme o paralelogramu, iz odeljka 3.8. Kao primer primene vektora u euklidskoj geometriji navodimo sledeću teoremu:

90

IV Vektori

Teorema. Neka su O i H centar opisanog kruga i ortocentar trougla ABC i A1, B1, C1 središta njegovih ivica BC, CA, AB. Važi: (i) 2OA1 = AH (ii) OA + OB + OC = OH (Hamiltonova20 teorema) (iii) 2 OA + OB + OC = AH + BH + CH .

(

)

Dokaz: (i) Vektori OA1 i AH su kolinearni, pa je OA1 = α AH i

analogno OB1 = β BH za neke α,β∈R, koje treba odrediti. Kako je: 1 1 1 B1 A1 = AB = AH + HB 2 2 2 i s druge strane B1 A1 = B1O + OA1 = β HB + α AH , zaključujemo da je r 1  1   − β  HB +  − α  AH = 0 . 2  2  Zbog linearne nezavisnosti vektora HB i AH sledi β=½ =α tj. AH = 2OA1 . (ii) OA + ( OB + OC ) = OA + 2OA1 = OA + AH = OH . (iii) AH + BH + CH = 2OA1 + 2OB1 + 2OC1 = 2((OB + BA1 ) + (OC + CB1 ) + (OA + AC1 )) = 2(OB + OC + OA) + ( BC + CA + AB) = 2(OA + OB + OC )

q A

A

B1 H

O

T O

H B

20

A1

C

B

V.R. Hamilton (1805-1865), irski matematičar.

C

IV Vektori

91

Primer. Dokazati da su centar opisanog kruga O, težište T i ortocentar H trougla ABC kolinearne tačke i da važi HT=2TO. (Prava koja sadrži te tri tačke zove se Ojlerova prava21.) Rešenje: Sa A1 označimo središte ivice BC. Kako je AT:TA1=2:1 na osnovu primera iz prethodnog odeljka važi: 1 2 1 2 1 OT = OA + OA1 = OA + ⋅ (OB + OC ) . 3 3 3 3 3 1 Dakle: OT = (OA + OB + OC ) . 3 Ali na osnovu Hamiltonove teoreme je OH = OA + OB + OC . Tada je OH = 3OT , na osnovu čega sledi tvrđenje.

Zadaci 1. Neka je tačka M središte ivice DE pravilnog šestougla ABCDEF. Ako je N središte duži AM i P središte ivice BC, izraziti NP u funkciji AB i AF . 2. Dve normalne prave p i q koje se seku u tački M, seku dati krug sa centrom O u tačkama A, B, C, D. Dokazati da je: OA + OB + OC + OD = 2OM . 3. Odrediti ugao između vektora OA , OB , OC ako tačke A, B, r C pripadaju krugu sa centrom u tački O i ako važi OA + OB + OC = 0 . 4. Neka je O centar pravilnog n-tougla A1A2...An. Dokazati: r (i) OA1 + OA2 + L + OAn = 0 , (ii) n MO = MA1 + MA2 + L + MAn , ako je M proizvoljna tačka euklidskog prostora. 5. Neka je ABCDEF konveksni šestougao kod koga je AB||DE. Ako su K i L središta duži određenih središtima preostalih parova naspramnih ivica, dokazati da je K=L ako i samo ako je AB≅DE.

21

Svojstvo koje je 1765. g. dokazao švajcarski matematičar L. Ojler (1707-1783).

92

IV Vektori

6. Neka su A1,A2,...,An tačke prave p i B1,B2,...Bn tačke prave q takve da važi: A1 A2 : A2 A3 : L An−1 An = B1B2 : B2 B3 : L Bn−1 Bn (n≥3). Dokazati da središta duži A1B1, A2B2, ..., AnBn pripadaju jednoj pravoj. 7. Dokazati da za proizvoljne tačke A, B, C važi: (ii) AC ≥ AB − BC . (i) AC ≤ AB + BC ; Pod kojim uslovima važi "=" u (i) ? r r r r r r 8. Dokazati da za proizvoljne vektore u i v važi: |u + v |≤|u |+|v |. 9. Neka su A, B, C, D proizvoljne tačke u prostoru i M i N tačke na AM CN ⋅ = 1 . Dokazati da je dužima AD odnosno BC takve da je MD NB tada duž MN manja ili jednaka većoj od duži AB i CD. 10. Neka je ABC trougao i Q, K, L, M, N, P tačke polupravih AB, AC, BC, BA, CA, CB takve da je AQ≅CP≅AC; AK≅BL≅AB; BM≅CN≅BC. Dokazati da su prave MN, PQ, LK paralelne. 11. Neka je P središte težišne duži AA1 trougla ABC. Ako je Q presečna tačka ivice AC sa pravom BP odrediti AQ:QC i BP:PQ. 12. Neka su Xn i Yn (n∈N) tačke ivica AB i AC trougla ABC takve da je 1 1 AX n = AB i AYn = AC . Dokazati da postoji tačka koja n +1 n pripada svim pravama XnYn. 13. Neka su P i Q tačke ivica BC i CD paralelograma ABCD, takve da je BP:PC=2:3 i CQ:QD=2:5. Ako je X presečna tačka duži AP i BQ odrediti odnose u kojima ona razlaže te duži. 14. Ako su P i Q tačke ivica AB i AC trougla ABC, takve da je PB AP

+

QC

= 1 , dokazati da težište tog trougla pripada duži PQ.

AQ

15. Odrediti težište proizvoljnog četvorougla. 16. Neka su A, B, C tačke ravni α sa iste strane prave p. Ako za neku tačku O prave p važi da je OA = OB = OC = 1 , tada je OA + OB + OC ≥ 1 .

IV Vektori

93

r r r r r r 17. Ako su u , v , w komplanarni vektori takvi da je |u |=|v |=|w |=x, r r r ispitati u kom slučaju je |u + v + w |=x.

18. Ako su A, B, C, D r tačke kruga sa centrom O, takve da je OA + OB + OC + OD = 0 , dokazati da je četvorougao ABCD pravougaonik. 19. Neka su H i O ortocentar i centar opisanog kruga trougla ABC. Ako je AH≅AO, dokazati da je ∠BAC=60o. 20. Ako je E presečna tačka bisektrise unutrašnjeg ugla trougla ABC kod temena A sa njegovom ivicom BC, dokazati da je: AE =

| AC | | AB | + | AC |

AB +

| AB | | AB | + | AC |

AC .

Glava V

Daljnja primena podudarnosti

5.1 Primena podudarnosti na krug Krug sa centrom O i poluprečnikom AB, gde je AB duž, smo definisali kao skup svih tačaka X neke ravni, koja sadrži tačku O, takvih da je (O,X)≅ (A,B). Označavali smo ga sa k(O,AB). Na osnovu teoreme 1, iz odeljka 3.3, umesto pomenute relacije možemo pisati i OX≅ AB. Rećićemo nekad i da je krug sa centrom O skup svih tačaka neke ravni koje su na istom odstojanju od tačke O. Pri tome pod odstojanjem tačke X od tačke O podrazumevamo pozitivan realan broj koji je dužina ili mera duži OX (o meri duži biće više reči u osmoj glavi). Sada za krug možemo koristiti i oznaku k(O,r), gde r može predstavljati duž ili meru te duži. Tačaka X u ravni kruga k(O,r), za koju je OX
94

IV Vektori

95

centra O tog kruga na tetivi AB, tada se dužina duži OC naziva centralno odstojanje tetive AB. Lako se dokazuje da su dve tetive nekog kruga podudarne ako i samo ako imaju jednaka centralna odstojanja. Najduža tetiva nekog kruga naziva se prečnik ili dijametar tog kruga. Prečnik kruga sadrži centar kruga. U zavisnosti od odstojanja centra kruga od neke date prave možemo razmatrati razne položaje prave B p1 prema krugu. Ako je odstojanje C manje od poluprečnika (OC1r) tada prava i krug nemaju zajedničkih tačaka. Da bi se dali strogi dokazi iznetih činjenica koriste se aksiome neprekidnosti. Slično razmatranje možemo primeniti i kada se radi o međusobnom odnosu dva kruga u istoj ravni. Ako su k(O,r1) i l(S,r2) (r1>r2) pomenuti krugovi, mogući su sledeći slučajevi:

O

S

O

(1) OS>r1+r2

O

(4) r1-

S (2) OS=r +r

S

O

S

(3) OS=r1-r2

O S

(5) OS
1. Ako je OS>r1+r2 , tada ni krugovi ni odgovarajuće kružne površi nemaju zajedničkih tačaka.

96

IV Vektori

2. Ako je OS=r1+r2 , tada krugovi i odgovarajuće kružne površi imaju tačno jednu zajedničku tačku; u tom slučaju kažemo da se krugovi spolja dodiruju. 3. Ako je OS=r1 -r2, tada krugovi imaju tačno jednu zajedničku tačku, ali je l u kružnoj površi k; u tom slučaju kažemo da se krugovi iznutra dodiruju. 4. Ako je r1 -r2
5.2 Centralni i periferijski ugao kruga Neka je k(O,r) krug. Centralni ugao kruga je svaki ugao u ravni kruga čije je teme tačka O. Periferijski ugao kruga je ugao čije je teme neka tačka kruga, a kraci sadrže tetive kruga. Tetiva kruga čije su krajnje tačke na kracima periferijskog ili centralnog ugla je njihova odgovarajuća tetiva. U tom slučaju kažemo da su ti uglovi nad tom tetivom. Centralni i A α

O

ω

ω

O

M

N A,O MN

M

N

α

A

A,O÷MN

periferijski uglovi nekog kruga su jedan drugom odgovarajući ako su nad istom tetivom i iste orijentacije. Npr. ako su centar kruga i teme periferijskog ugla sa iste strane prave određene tetivom, odgovarajući

IV Vektori

97

centralni ugao je konveksan. Ako su te tačke sa raznih strana te prave, odgovarajući centralni ugao je nekonveksan. Veoma je značajna relacija koja povezuje odgovarajuće centralne i periferijske uglove jednog kruga22: Teorema 1. Centralni ugao je dva puta veći od odgovarajućeg periferijskog ugla kruga tj. ako su A, M, N proizvoljne tačke kruga k(O,r) tada je: ∠MON=2∠MAN. Dokaz. Razmotrimo sledeće slučajeve: 1) Centar kruga pripada kraku AN periferijskog ugla ∠MAN. Tada je trougao MOA jednakokraki (OM=OA=r) pa su uglovi OMA i MAO podudarni. U trouglu MOA spoljašnji ugao MON jednak je zbiru nesusednih unutrašnjih uglova: ∠MON=∠OMA+∠MAO=2∠MAO=2∠MAN. 2) Centar kruga pripada unutrašnjosti periferijskog ugla. Neka je P druga presečna tačka kruga sa pravom OA. Tada je (primenjujemo rezultat slučaja 1): A

A

α

α β

O

O 2α

N

M

M N

P

2α 2β

P

O

A

M N

∠MON=∠MOP+∠PON=2∠MAO+2∠NAO=2(∠MAO+∠NAO)=2∠MAN . 3) Centar kruga je van periferijskog ugla. Ponovo na isti način uvedimo tačku P i primenimo rezultat prvog slučaja: ∠MON=∠PON -∠POM=2∠PAN -2∠PAM=2(∠PAN -∠PAM)=2∠MAN. q Dokaz prethodne teoreme je isti bez obzira da li su tačke A i O sa iste ili sa raznih strana prave MN. 22

Pretpostavlja se da je ovo tvrđenje prvi dokazao Tales iz Mileta (VII-VI v. pre n. e.).

98

IV Vektori

Najznačajnije posledice teoreme 1 su: Posledica 1. Periferijski ugao nad prečnikom kruga je prav. Dokaz: zasniva se na prethodnoj teoremi i činjenici da je centralni ugao nad prečnikom opružen. q

M

O

O

N

N

M

Posledica 2. a) Periferijski uglovi kruga nad istom tetivom, čija su temena sa iste strane prave određene tom tetivom, su međusobno podudarni. b) Periferijski uglovi kruga nad istom tetivom, čija su temena sa raznih strana prave određene tom tetivom, su suplementni. Dokaz: Ovi uglovi odgovaraju istom centralnom uglu, ili centralnim uglovima čiji je zbir jednak 360o, u zavisnosti od položaja temena. U oba slučaja tvrđenje je direktna posledica teoreme 1. q Posledica 3. Ugao određen tetivom i tangentom u jednoj krajnjoj tački tetive nekog kruga podudaran je periferijskom uglu nad tom tetivom. Dokaz: Neka je MAN periferijski ugao nekog kruga nad tetivom MN, LM tangenta tog kruga u tački M tako da je L,A ÷ MN i MB prečnik tog kruga. Tada je BM⊥ML i BN⊥MN (posledica 1), pa su uglovi LMN i MBN podudarni kao uglovi sa normalnim kracima. Ali na osnovu posledice 2 su i uglovi MAN i MBN podudarni, iz čega sledi tvrđenje. q

Poslednji rezultati omogućuju da

A B

α α

O

M

α

N L

IV Vektori

99

se realizuje jedna izuzetno značajna konstrukcija - konstrukcija geometrijskog mesta tačaka u ravni iz kojih se data duž "vidi" pod datim uglom (o konstrukcijama biće više reči u narednoj glavi). Radi se zapravo o sledećem problemu: •

Ako je AB duž i ϕ ugao neke ravni, odrediti skup svih tačaka M te ravni takvih da je ∠AMB≅ϕ.

Neka je p poluprava sa početnom tačkom M B takva da je ∠p,BA≅ϕ, n normala u tački L B na polupravoj p i s medijatrisa duži. n Presečnu tačku pravih n i s označimo sa O O. Ako je k krug sa centrom O i poluprečnikom OA, sa L označimo presek B A tog kruga i poluravni sa rubom AB a kojoj ne pripada poluprava p. Skup L inače s p L' naziva se luk AB. U drugoj poluravni na sličan način možemo odrediti luk L' (simetričan luku L). Dokažimo da je traženo geometrijsko mesto tačaka (L∪L')\{A,B}. Da se iz svake tačke luka L (ili L'), različite od A i B, duž AB vidi pod uglom ϕ sledi iz posledice 3. Pretpostavimo da tačka M ne pripada (L∪L')\{A,B}. U slučaju kada je M tačka A ili B, ugao AMB ne postoji. Neka je M≠A,B i AM∩L={N}. Ako je B(A,M,N) u trouglu NMB je spoljašnji ugao AMB veći od nesusednog unutrašnjeg ugla MNB (≅ϕ). Ako je B(A,N,M) sličnim razmatranjem zaključujemo da je ∠AMB<ϕ, pa ne može biti ∠AMB≅ϕ. q Primer 1. Dokazati da se medijatrisa ivice BC i medijatrisa unutrašnjeg ugla kod temena A trougla ABC (AB≠AC) seku u tački koja pripada krugu opisanom oko tog trougla. Pritom je ta tačka središte luka BC tog kruga, na kome nije teme A. Rešenje: Neka je N jedna od presečnih tačaka kruga opisanog oko trougla ABC i medijatrise ivice BC (takva da je A,N÷BC). Kako je N na medijatrisi ivice BC, mora biti NB≅NC. Dakle, trougao BNC je jednakokraki, pa su i uglovi NBC i NCB podudarni. Tada je: BAN≅∠BCN (periferijski uglovi nad tetivom BN) ≅∠NBC≅∠NAC (periferijski uglovi nad tetivom CN).

100

IV Vektori

Prema tome, poluprava AN je bisektrisa ugla BAC, čime je tvrđenje dokazano. Napomenimo da smo izostavili dokaz da je A,B NC i A,C NB. Dokazivanje rasporeda u ovakvim zadacima često nije tako jednostavno, pa ga zbog toga najčešće ne izvodimo. q R

A

X

p

B

C

q

O

Q P

N

r

Primer 2. Neka su p, q, r prave neke ravni koje se seku u jednoj tački i dele tu ravan na šest podudarnih uglova. Ako su P, Q, R podnožja upravnih iz proizvoljne tačke X te ravni redom na tim pravama, dokazati da je trougao PQR pravilan. Rešenje: Neka je O presečna tačka pravih p, q, r. Kako je o ∠XPO≅∠XQO≅∠XRO=90 , tačke O, X, P, Q, R pripadaju krugu k nad OX kao prečnikom. Tada je: ∠PRQ≅∠POQ=60o; ∠QPR≅∠QOR=60o (kao periferijski uglovi kruga k nad tetivama QP i QR), pa je trougao PQR pravilan.

Zadaci 1. Neka je k krug sa prečnikom AB i C tačka u ravni tog kruga. Dokazati: (i) Ako je C unutrašnja tačka kruga k, tada je ugao ACB tup. (ii) Ako C pripada krugu k, tada je ugao ACB prav. (iii) Ako je C spoljašnja tačka kruga tada je ugao ACB oštar. 2. Svi periferijski uglovi nad podudarnim tetivama, u jednom krugu ili u podudarnim krugovima su podudarni. Dokazati.

IV Vektori

101

3. Ugao između dve sečice, koje se seku van kruga, jednak je polovini razlike centralnih uglova nad tetivama između krakova tog ugla. Dokazati. 4. Ugao između dve tangente jednog kruga jednak je polovini razlike centralnih uglova nad lukovima između krakova tog ugla. Dokazati. 5. Ako su krugovi k i l ortogonalni, tangenta ma kojeg od njih sadrži centar drugog. Dokazati.

5.3. Tangentni četvorougao Četvorougao čije su sve ivice tangente jednog D kruga tj. četvorougao u koji se može upisati krug, naziva se tangentni četvorougao. Postoji, i veoma je operativan, kriterijum za utvrđivanje da li je neki četvorougao tangentni. Za dokazivanje tog kriterijuma koristi se teorema o podudarnosti A tangentnih duži, tj. odsečaka tangente od tačke iz koje je ona konstruisana na dati krug do tačke dodira.

C

B

Teorema 1. Tangentne duži konstruisane iz iste tačke van datog kruga su međusobno podudarne. Dokaz: Neka su AT1 i AT2 tangente nekog kruga k, sa centrom O, u dodirnim tačkama T1 i T2. Tada su pravougli trouglovi AT1O i AT2O podudarni jer im je hipotenuza AO zajednička, a katete OT1 i OT2 podudarne sa poluprečnikom kruga. Dakle AT1 ≅AT2. q T1

O

A

T2

Sada dokazujemo osnovnu teoremu o tangentnim četvorouglovima: Teorema 2. Četvorougao ABCD je tangentni ako i samo ako je: AB+CD=BC+AD.

102

IV Vektori

Dokaz: ⇒. Pretpostavimo da je četvorougao ABCD tangentni. Neka su P, Q, R, S dodirne tačke ivica AB, BC, CD, DA sa upisanim krugom k. Kako su tangentne duži podudarne, to je: AP≅AS; BP≅BQ; CQ≅CR; DR≅DS. Na osnovu toga je: AP+PB+CR+RD=AS+SD+BQ+QC tj. AB+CD=AD+BC. D

D R S

A

C

C

D'

Q

P

B

A

B

⇐. Sada dokazujemo obratno tvrđenje. Neka su u četvorouglu ABCD zbirovi naspramnih ivica jednaki. Postoji krug k koji dodiruje ivice AB, BC, i DA tog četvorougla (njegov centar je presek bisektrisa unutrašnjih uglova kod temena A i B četvorougla). Neka je D' presek druge tangente iz tačke C kruga k i prave AD. Pretpostavimo da je D'≠D. i B(A,D',D). Prema već dokazanom delu teoreme važi AB+CD=BC+D'A, pa kako je po pretpostavci AB+CD=BC+DA, to je CD'-CD=D'A-DA, tj. CD'=D'A-DA+CD. Ako je tačka D između tačaka D' i A ova relacija postaje CD'=CD+DD' a to je nemoguće na osnovu nejednakosti trougla. Na sličan način dolazimo do kontradikcije i u slučaju kada D nije između tačaka D' i A. Dakle, D'=D, tj. krug k dodiruje i četvrtu ivicu četvorougla ABCD. q Neposredna posledica ove teoreme je da se u kvadrat, romb i deltoid (v. zad. 6.11) mogu upisati krugovi.

5.4 Tetivni četvorougao Četvorougao oko koga se može opisati krug, tj. čije su sve ivice tetive nekog kruga naziva se tetivni četvorougao. Kao što postoji kriterijum za utvrđivanje da li je četvorougao tangentni, postoji i važna teorema koja daje neophodan i dovoljan uslov da četvorougao bude tetivni.

IV Vektori

103

Teorema 1. Konveksni četvorougao je tetivni ako i samo ako su njegovi naspramni uglovi suplementni. Dokaz: ⇒. Pretpostavimo, najpre da je četvorougao ABCD tetivni. Kako je četvorougao konveksan, temena A i C su sa raznih strana prave određene dijagonalom BD. Na osnovu posledice 2, iz odeljka 5.2, uglovi BAD i BCD četvorougla su suplementni. ⇐. Pretpostavimo sada da su naspramni uglovi četvorougla ABCD suplementni. Neka je k krug opisan oko trougla ABD. Tada se iz četvrtog temena C tetiva BD vidi pod uglom koji je suplementan uglu kod temena A, pa i tačka C pripada krugu. q D

C γ

A α 2γ

C

D

2α

A

B

B

Često se pri dokazivanju pojedinih tvrđenja koristi i sledeća teorema: Teorema 2. Ako je ABCD konveksan četvorougao i ∠ACB≅∠ADB tada je on tetivni četvorougao.

Dokaz ove teoreme vrlo je jednostavan - koristi se činjenica da je geometrijsko mesto tačaka iz kojih se duž AB vidi pod istim uglom, u poluravni (ABC - kružni luk. q Važi i obratno tvrđenje ali je ono od manjeg značaja. Primer 1. Neka su P, Q, R proizvoljne tačke ivica BC, AC, AB trougla ABC. Dokazati da se krugovi opisani oko trouglova AQR, PBR, PQC seku u jednoj tački (tzv. Mikelova tačka23). Rešenje: Označimo krugove opisane oko trouglova AQR, PBR i PQC sa kA, kB, kC, i unutrašnje uglove trougla ABC redom sa α, β, γ. Neka je S druga presečna tačka krugova kB i kC (sličan je dokaz i u slučaju S=P). Tada su četvorouglovi BPSR i PCQS tetivni, pa je 23

A. Mikel dokazao je ovo tvrđenje 1838 g.

104

IV Vektori

∠RSP=180o-β i ∠QSP=180o-γ. Sledi da je ∠RSQ=β+γ, a zatim i ∠RAQ+∠RSQ= α+β+γ=180o. Dakle i četvorougao ARSQ je tetivan, pa se oko njega može opisati krug. Ali to je baš krug kA, opisan oko trougla AQR, pa se dati krugovi seku u tački S. q A kA

R

D

C O

Q

kB

M

L

S A B

B

C

P kC

P

Primer 2. Neka je P proizvoljna tačka na kraćem luku AB kruga k opisanog oko pravougaonika ABCD, a L i M podnožja upravnih iz tačke P na dijagonalama AC i BD. Dokazati da dužina duži LM ne zavisi od položaja tačke P. Rešenje: Neka je tačka O centar kruga k. Četvorougao PMOL je tetivan jer je ∠OLP+∠OMP=180o. Kako su uglovi OLP i OMP pravi, prečnik kruga l, opisanog oko četvorougla PMOL je OP tj. poluprečnik kruga k. Dalje, LM je tetiva kruga l koja odgovara periferijskom uglu AOB. Dakle, bez obzira na izbor tačke P, duž LM je tetiva kruga sa prečnikom OA, koja odgovara periferijskom uglu AOB (odnosno odgovarajućem konstantnom centralnom uglu). Tetive koje odgovaraju podudarnim centralnim uglovima podudarnih krugova su među sobom podudarne, pa dužina duži LM ne zavisi od položaja tačke P. q Primer 3. Neka je ABCD konveksan četvorougao. Dokazati da se krugovi upisani u trouglove ABC i ACD dodiruju ako i samo ako je četvorougao ABCD D tangentan. R Rešenje: U ovom zadatku ekvivalenciju nećemo dokazivati u dva smera već direktno. Pre toga izvedimo neke relacije koje važe kod proizvoljnog konveksnog četvorougla ABCD. Neka su P, Q, X dodirne tačke

S A

X

C

Y Q

P B

IV Vektori

105

upisanog kruga k trougla ABC sa njegovim ivicama AB, BC, CA i R, S, Y dodirne tačke upisanog kruga l trougla ACD sa njegovim ivicama CD, DA, AC. Najpre je: 1 1 1 AX=AP= (AX+AP)= (AC-CX+AB-BP)= (AC-CQ+AB-BQ) 2 2 2 1 = (AC+AB-BC). (1) 2 1 Na isti način dokazujemo i da je AY= (AC+AD-DC). (2) 2 Sada možemo početi sa dokazivanjem ekvivalencije: Krugovi k i l se dodiruju akko je X=Y, tj. akko AX=AY. Na osnovu (1) i (2) je: AX=AY akko AC+AB-BC=AC+AD-DC, odnosno akko AB+DC=AD+BC. Poslednja jednakost važi akko je četvorougao ABCD tangentan. q

Zadaci 1. Dokazati da dodirne tačke upisanog kruga dele ivice trougla ABC na odsečke dužina: s-a, s-b, s-c, (a, b, c -dužine ivica; s -poluobim trougla). 2. U pravouglom trouglu ABC nad katetom AC kao prečnikom konstruisan je krug, koji seče hipotenuzu AB u tački E. Ako tangenta kruga u tački E seče katetu BC u tački D, dokazati da je trougao BDE jednakokraki. 3. U prav ugao sa temenom A upisan je krug koji dodiruje krake ugla u tačkama B i C. Proizvoljna tangenta kruga seče prave AB i AC, redom, u tačkama M i N (gde je B(A,M,B)). Dokazati da je: 1 1 (AB+AC) < MB+NC < (AB+AC). 3 2 4. Dokazati da je kod pravouglog trougla zbir kateta jednak zbiru prečnika opisanog i upisanog kruga. 5. Dokazati da četiri od šest tačaka, u kojima se seku bisektrise unutrašnjih uglova konveksnog četvorougla, ukoliko su različite, predstavljaju temena tetivnog četvorougla.

106

IV Vektori

6. Neka je u pravouglom trouglu c dužina hipotenuze, a i b dužine kateta, a r poluprečnik upisanog kruga. Dokazati da je: (ii) a + b + c > 8r (i) 2r + c ≥ 2 ab 7. Ako su P i Q središta kraćih lukova AB i AC kruga opisanog oko pravilnog tougla ABC, dokazati da ivice AB i AC tog trougla dele tetivu PQ na tri podudarne duži. 8. Četiri kruga sa centrima O1, O2, O3, O4 dodiruju se spolja dva po dva. Dokazati: (i) da je četvorougao O1O2O3O4 tangentni; (ii) da su dodirne tačke ovih krugova temena tetivnog četvorougla. 9. Neka su k1, k2, k3, k4 četiri kruga od kojih svaki spolja dodiruje jednu ivicu i po dve poluprave određene ivicama proizvoljnog konveksnog četvorougla. Dokazati da su centri tih krugova konciklične tačke (pripadaju jednom krugu). 10. Krugovi k i l dodiruju se spolja u tački A. Ako su B i C dodirne tačke zajedničke spoljašnje tangente ovih krugova, dokazati da je ugao BAC prav. 11. Neka je u konveksnom četvorouglu ABCD AB≅AD i CB≅CD (tzv. deltoid). Dokazati: (i) u četvorougao ABCD se može upisati krug; (ii) oko četvorougla ABCD se može opisati krug akko je AB⊥BC. 12. Krugovi k i k1 se spolja dodiruju u tački T. Ako su P i P1 odnosno Q i Q1 presečne tačke pravih p i q koje sadrže tačku T, sa tim krugovima redom, dokazati da je PQ||P1Q1. 13. Neka je MN zajednička tangenta krugova k i l (M i N su dodirne tačke) koji se se seku u tačkama A i B. Izračunati zbir ∠MAN + ∠MBN. 14. Tačke simetrične ortocentru trougla u odnosu na njegove ivice pripadaju krugu opisanom oko tog trougla. Dokazati. 15. Krugovi određeni sa dva temena trougla i njegovim ortocentrom podudarni su krugu opisanom oko tog trougla. Dokazati.

IV Vektori

107

16. Neka je t tangenta kruga opisanog oko trougla ABC u temenu A. Ako prava koja je paralelna sa t, seče ivice AB i AC u tačkama D i E, dokazati da tačke B, C, D, E pripadaju jednom krugu. 17. Neka su D i E proizvoljne tačke polukruga konstruisanog nad duži AB. Ako je F presek pravih AD i BE, a G presek pravih AE i BD, dokazati da je FG⊥AB. 18. Neka je M tačka kruga k(O,r). Odrediti geometrijsko mesto središta svih tetiva kruga čija je jedna krajnja tačka M. 19. Dokazati da su podnožja upravnih iz proizvoljne tačke opisanog kruga trougla na pravama određenim njegovim ivicama, tri kolinearne tačke. (Prava koja ih sadrži naziva se Simsonova24 prava.) 20. Teme ugla α je spoljašnja tačka kruga k. Kraci tog ugla određuju na krugu dva luka, koji su u razmeri 3:10. Veći od tih lukova odgovara centralnom uglu od 40o. Kolika je mera ugla α. 21. Dokazati da je ortocentar oštrouglog trougla, centar upisanog kruga čija su temena podnožja visina polaznog trougla. 22. Neka su M i N tačke simetrične podnožju A' visine AA' trougla ABC u odnosu na ivice AB i AC i neka je K presek pravih AB i MN. Dokazati da tačke A, K, A', C, N pripadaju jednom krugu. 23. Neka je D podnožje visine iz temena A oštrouglog trougla ABC i O centar opisanog kruga tog trougla. Dokazati da je ∠CAD≅∠BAO. 24. Oko trougla ABC opisan je krug. Ako je tačka D dijametralno suprotna tački A u odnosu na taj krug, dokazati da je ona simetrična ortocentru trougla u odnosu na središte ivice BC. 25. Ako je ABCD tetivni četvorougao, E ortocentar trougla ABD i F ortocentar trougla ABC, dokazati da je četvorougao CDEF paralelogram. 26. Krugovi sa centrima O1 i O2 imaju zajedničke tačke A i B. Prava p, koja sadrži tačku A seče te krugove u tačkama M1 i M2. Dokazati da je ∠O1M1B≅∠O2M2B. 27. Tri podudarna kruga k1, k2, k3 sa centrima O1, O2, O3 seku se u tački B. Neka su A3, A2, A1 druge presečne tačke prvog i drugog, prvog i 24

R. Simson (1687-1768), engleski matematičar.

108

IV Vektori

trećeg, odnosno drugog i trećeg kruga. Dokazati da se prave O1A1, O2A2, O3A3 seku u jednoj tački. 28. Nad duži AB, kao prečnikom konstruisan je polukrug sa centrom O. Neka su C i D tačke duži AB takve da je CO≅OD. Dve paralelne prave koje sadrže tačke C i D seku polukrug u tačkama E i F. Dokazati da su duži CE i DF normalne na EF. 29. Neka je C tačka tetive AB kruga k sa centrom O i D drugi presek kruga k sa krugom opisanim oko trougla ACO. Dokazati da je CD≅CB. 30. Ako je C središte luka AB i D bilo koja druga tačka tog luka, različita od C, dokazati da je: AC+BC > AD+BD. 31. Neka su A i B tačke van kruga k i prava AB ne seče k. Ako su C i D dodirne tačke tangenti tog kruga koje sadrže tačke A i B redom, dokazati da je: |AC-BD|< AB < AC+BD. 32. Ako je S tačka u kojoj se seku prave određene kracima AD i BC trapeza ABCD, dokazati da se krugovi opisani oko trouglova SAB i SCD dodiruju u tački S. 33. Neka su PB i PD tangente kruga k(O,r) u dodirnim tačkama B i D. Ako prava PO seče krug k u tačkama A i C (B(P,A,C)), dokazati da je poluprava BA bisektrisa ugla PBD. 34. Četvorougao ABCD upisan je u krug sa centrom O. Dijagonale AC i BD međusobno su normalne. Ako je M podnožje upravne iz centra O 1 na pravoj AD, dokazati da je OM= BC. 2 35. Ako je S centar upisanog kruga trougla ABC i N presečna tačka poluprave AS sa krugom opisanim oko tog trougla, dokazati da je NB≅NS≅NC. Šta predstavlja tačka simetrična tački S u odnosu na N ? 36. Neka su P, Q, R središta lukova BC, AC, AB kruga opisanog oko trougla ABC, na kojima nisu temena A, B, C. Ako su E i F preseci prave QR sa ivicama AB i AC, a S centar upisanog kruga tog trougla, dokazati da je: (i) AP⊥QR;

IV Vektori

109

(ii) četvorougao AESF romb. 37. Neka su AB i BC dve susedne ivice pravilnog devetougla upisanog u krug, čiji je centar tačka O. Ako je M središte ivice AB i N središte poluprečnika OX, koji je normalan na pravoj BC, dokazati da je ∠OMN=30o. 38. Krugovi k1 i k2 seku se u tačkama A i B. Neka je p prava koja sadrži tačku A i krug k1 seče u tački C a krug k2 u tački D i q prava koja sadrži tačku B i krug k1 seče u tački E a krug k2 u tački F. Dokazati da je ∠CBD≅∠EAF. 39. Krugovi k1 i k2 seku se u tačkama A i B. Odrediti pravu p, koja prolazi kroz tačku A tako da duž MN, gde su M i N tačke u kojima prava p seče krugove k1 i k2 bude maksimalne dužine. 40. Neka je L podnožje upravne iz bilo koje tačke K kruga k na njenu tangentu u tački T∈k i X tačka simetrična tački L u odnosu na pravu KT. Odrediti geometrijsko mesto tačaka X. 41. U krug je upisan poligon sa neparnim brojem ivica, takav da su mu svi uglovi podudarni. Dokazati da je taj poligon pravilan. 42. Ako su dijagonale tetivnog četvorougla ABCD upravne u tački S, dokazati da normala iz tačke S na pravoj AB sadrži središte duži CD25. 43. Dužine ivica trougla su 6, 7, 9. Neka su k1, k2, k3 krugovi, čiji su centri temena tog trougla i koji se međusobno dodiruju, pri čemu krug, čiji je centar teme najmanjeg ugla trougla, ima sa ostalim krugovima unutrašnji dodir, a dva preostala kruga se dodiruju spolja. Izračunati dužine poluprečnika ta tri kruga. 44. Dva kruga dodiruju se iznutra u tački A. Ako je AB prečnik većeg kruga i tetiva BK većeg kruga dodiruje manji krug u tački C, dokazati da je poluprava AC bisektrisa ugla BAK. 45. Neka su A1, A2, A3, A4 proizvoljne tačke na krugu i B1, B2, B3, B4 središta lukova A1A2, A2A3, A3A4, A4A1 redom. Dokazati da među dužima određenim krajnjim tačkama B1, B2, B3, B4 postoje dve međusobno upravne.

25

Brahmagupta (598-660), indijski matematičar, proučavao je tetivne četvorouglove.

110

IV Vektori

46. Neka je BC tetiva kruga k. Odrediti geometrijsko mesto ortocentara svih trouglova ABC pri čemu je A proizvoljna tačka kruga. 47. Ako u nekom četvorouglu postoje tri tupa ugla, dokazati da je veća dijagonala ona koja je određena temenom koje odgovara oštrom uglu. 48. Šestougao ABCDEF upisan je u krug. Ako je AB≅DE i BC≅EF, dokazati da je CD||AF. 49. Neka je ABCD konveksan četvorougao, kod koga je ∠ABD=50o, ∠ADB=80o, ∠ACB=40o, ∠DBC=∠BDC+30o. Izračunati meru ugla DBC. 50. Neka je M proizvoljna tačka koja pripada uglu sa temenom A. Ako su su P i Q podnožja upravnih iz tačke M, na krake tog ugla, a K podnožje upravne iz temena A na pravoj PQ, dokazati da je ∠MAP≅∠QAK. 51. Osmougao A1A2...A8 je upisan u krug i važi A1A2||A5A6, A2A3||A6A7, A3A4||A7A8. Dokazati da je A8A1 ≅A4A5. 52. Ako neki krug odseca na ivicama četvorougla podudarne odsečke, dokazati da je taj četvorougao tangentni. 53. Oko kruga opisan je petougao ABCDE čije su dužine ivica prirodni brojevi i kod koga je AB=CD=1. Krug dodiruje ivicu BC u tački K. Odrediti dužinu duži BK. 54. Ako se od tri kruga neke ravni po dva spolja dodiruju, dokazati da je krug određen dodirnim tačkama tih krugova ortogonalan na svakom od njih. 55. Ako je AE bisektrisa unutrašnjeg ugla kod temena A oštrouglog trougla ABC (AB
IV Vektori

111

57. Neka je H ortocentar trougla ABC, l krug nad duži AH kao prečnikom i P, Q presečne tačke tog kruga sa ivicama AB i AC. Dokazati da se tangente kruga k u tačkama P i Q seku na ivici BC. 58. Krug l dodiruje iznutra krug k u tački C. Neka je M proizvoljna tačka kruga l različita od C. Tangenta kruga l u tački M seče krug k u tačkama A i B. Dokazati da je ∠ACM ≅∠MCB. 59. Tri kruga jednakih poluprečnika r seku se u tački O i, osim toga, dva po dva od njih seku se u tačkama A, B, C. Dokazati da je krug opisan oko trougla ABC, takođe poluprečnika r. 60. Neka je k krug opisan oko trougla ABC i R središte luka AB tog kruga na kome nije tačka C. Ako su RP i RQ tetive od kojih je prva paralelna a druga upravna na bisektrisi unutrašnjeg ugla kod temena A trougla ABC, dokazati da je: (i) poluprava BQ bisektrisa unutrašnjeg ugla kod temena B trougla ABC; (ii) trougao koji određuju prave AB, AC, PR jednakokraki. 61. Nad ivicama trougla ABC sa spoljne strane konstruisani su pravilni trouglovi ADB, BEC, CFA. (i) Dokazati da su duži AE, BF, CD među sobom podudarne. (ii) Dokazati da se prave AE, BF, CD seku u jednoj tački (tzv. Toričelijevoj 26 tački tog trougla), pod uglom 60o. 62. Neka je X unutrašnja tačka trougla ABC takva da je: ∠BXC≅∠BAC+60o, ∠AXC≅∠ABC+60o , ∠AXB≅∠ACB+60o. Ako su P, Q, R druge presčne tačke pravih AX, BX, CX sa krugom opisanim oko trougla ABC, dokazati da je trougao PQR pravilan. 63. Neka su P, Q, R dodirne tačke upisanog kruga k(S,r) trougla ABC sa njegovim ivicama BC=a, AC=b, AB=c (b>c) i Pi, Qi, Ri; i∈{a,b,c} dodirne tačke spolja upisanih krugova ki(Si,ri) sa pravama BC, AC, AB. Neka je dalje: l(O,R) krug opisan oko tog trougla, s poluobim, A1 središte ivice BC, M i N presečne tačke prave OA1 sa krugom l (N,A÷BC) i M’, N’ podnožja upravnih iz tih tačaka na pravoj AB. Dokazati da je: (i) AQa=ARa=s; (ii) AQ=AR=s-a; (iii) QQa=RRa=a; 26

E. Toričeli (1608-1647), italijanski matematičar i fizičar.

112

IV Vektori

(iv) PPa=b-c; (v) PbPc=b+c; (vi) A1 središte duži PPa i PbPc; r −r r +r ; (viii) A1M= b c ; (ix) ra +rb +rc =4R+r; 27 (vii) A1N= a 2 2 r + ra r −r b−c ; (xi) MM’= b c ; (xii) N’B=AM’= ; (x) NN’= 2 2 2 b+c ; (xiv) M’N’=b. (xiii) AN’=BM’= 2

27

Ovo svojstvo trougla otkrio je francuski matematičar S. A. Ž. Luilie (1750-1840), 1790. g.

IV Vektori

113

5.5 Relacija upravnosti prave i ravni Već smo videli da kada je u pitanju međusobni položaj prave p i ravni π postoje dve mogućnosti: • •

prava p pripada ravni π ili nema sa njom zajedničkih tačaka; tada je p||π, prava p ima sa ravni π tačno jednu zajedničku tačku; tada prava p seče ili prodire ravan π. Sada ćemo upoznati jedan specijalan slučaj prodiranja:

Definicija. Prava n je upravna (normalna, ortogonalna) na ravni π u oznaci n⊥π ako prava n prodire ravan π i upravna je na svakoj pravoj ravni π, koja sadrži prodornu tačku. Tada se, takođe, kaže i da je ravan π upravna (normalna, ortogonalna) na pravoj n u oznaci π⊥n.

Dokazujemo jednu značajnu teoremu: Teorema 1. Ako prava n prodire ravan π u tački P i pri tome je upravna na dvema raznim pravama a i b, koje pripadaju ravni π i sadrže tačku P, tada je n⊥π. Dokaz (Koši28): Dovoljno je dokazati da je prava n upravna na nekoj E pravoj c ravni π, koja sadrži tačku P. Neka je l (P∉l) proizvoljna prava koja n seče prave a, b, c redom u tačkama A, B, C i E, F tačke prave n sa raznih strana π P tačke P, takve da je PE≅PF. Tada su A B C l podudarni pravougli trouglovi EPA i c a b FPA (PA≅PA, EP≅FP) i EPB, FPB (PB≅PB, EP≅FP), pa sledi da je AE≅AF i F BE≅BF. Na osnovu toga zaključujemo da su podudarni trouglovi EAB i FAB, pa je ∠EBA≅∠FBA, a onda i ∠EBC≅∠FBC. Sledi da su trouglovi EBC i FBC podudarni i na osnovu toga je CE≅CF. Na kraju podudarni su trouglovi EPC i FPC (stav SSS), pa su suplementni uglovi EPC i FPC podudarni, dakle pravi, što znači da je n⊥c. q 28

A. L. Koši (1789-1853), francuski matematičar izveo je ovaj dokaz 1813. g.

114

IV Vektori

Teorema 2. Postoji tačno jedna prava koja sadrži datu tačku A i upravna je na datoj ravni π. Dokaz: Najpre ćemo dokazati da takva prava postoji. Razmotrimo dva slučaja: 1) A∉π. Neka je p proizvoljna prava ravni π, B podnožje upravne iz tačke A na pravoj p (jedinstvena takva prava postoji na osnovu teoreme 7, iz odeljka 3.4), q prava ravni π, koja sadrži tačku B i normalna je na pravoj p i tačka C podnožje upravne iz tačke A na pravoj q. Dokazaćemo da je prava AC upravna na ravni π. Neka je D tačka prave p, takva da je AC≅BD. Tada su pravougli trouglovi ABC i DCB podudarni (BC≅CB, AC≅DB), pa je i AB≅DC, odakle sledi da su podudarni i trouglovi ABD i DCA (AB≅DC, AD≅DA, BD≅CA). Prema tome ∠ABD≅∠ACD, znači da je prava AC upravna na pravama DC i q, pa je po teoremi 1, AC⊥π. A

r

n p

q

B

π

π

q p

C A

D β

A

π

n

n1

b

2) A∈π. Neka su p i q dve prave ravni π, koje se seku u tački A i takve da je p⊥q i neka je r prava koja ne pripada ravni π, sadrži tačku A i upravna je na pravoj p. Prave q i r se seku (u tački A), pa određuju neku ravan α. Neka je n prava ravni α upravna na q u tački A. Dokazaćemo da je prava n upravna na ravni π. Kako je p⊥α (p⊥q, p⊥r), to je p⊥n a, uzimajući u obzir da je q⊥n, po teoremi 1, sledi n⊥π. Sada dokazujemo jedinstvenost pomenute normale. Pretpostavimo suprotno, da postoje dve prave n i n1, koje sadrže tačku A i obe su upravne na ravni π. Prave n i n1 se seku, pa određuju neku ravan β koja

IV Vektori

115

seče π po pravoj b. Tada bi u ravni β postojale, kroz tačku A, dve normale n i n1 na pravu b, a to je nemoguće na osnovu pomenute teoreme, iz odeljka 3.4. q Teorema 3. (O tri normale) Neka je prava AB upravna na ravan π u tački B i prava BC upravna na pravoj p ravni π u tački C. Tada je prava AC upravna na pravoj p. Dokaz: Neka je D tačka prave p takva da je AB≅CD. Tada su pravougli trouglovi ABC i DCB podudarni, odakle zaključujemo da je AC≅BD, pa su podudarni i trouglovi ABD i DCA (AD≅DA, BD≅CA, AB≅DC). Dakle ∠ABD≅∠ACD, tj. AC⊥p. q

A

B

C π

D

p

Zadaci 1. Dokazati da postoji tačno jedna ravan koja sadrži datu tačku i upravna je na datoj pravoj. 2. Ako su dve ravni upravne na istoj pravoj, dokazati da su među sobom paralelne. 3. Ako su prave m i n paralelne i m⊥α, tada je n⊥α. Dokazati. 4. Ako su prave m i n upravne na istoj ravni, dokazati da su među sobom paralelne. 5. Neka prava AC ne pripada ravni π i nije upravna na njoj, ali je upravna na jednoj pravoj p ravni π, koja sadrži tačku C i neka je B podnožje normale iz A u ravni π. Dokazati da je BC⊥p.

5.6 Diedar. Ortogonalnost ravni Na sličan način, kao što se u ravni definišu pojmovi ugaone linije i ugla, u prostoru definišemo diedarsku površ i diedar:

116

IV Vektori

Definicija. Diedarska površ π1pπ2 je unija dve poluravni pπ1 i pπ2 sa zajedničkom početnom pravom p. Prava p se naziva ivica, a poluravni pπ1 i pπ2 strane te diedarske površi.

Može se dokazati (dokaz nije jednostavan) da svaka diedarska površ (pπ1≠pπ2) deli prostor na dva disjunktna skupa, koji se nazivaju diedarske oblasti. π1pπ2

Definicija. Unija diedarske površi i jedne od diedarskih oblasti, koje su određene tom diedarskom površi, naziva se diedar.

Analogno situaciji u ravni - kako jedna ugaona linija određuje dva ugla, tako i jedna diedarska površ određuje dva diedra. I ostali pojmovi su povezani, pa se tako definišu opruženi diedri, susedni diedri, unakrsni diedri itd... p Od posebnog značaja je pojam nagibnog ugla π1 diedra: π2 Definicija. Ugao, po kome neka ravan α, upravna na ivici p diedra π1pπ2, seče taj diedar, naziva se nagibni ugao diedra ili kraće ugao diedra.

α

Može se dokazati, a to je potrebno zbog korektnosti definicije, da nagibni ugao diedra ne zavisi od izbora ravni α. Dokazuje se da su diedri podudarni ako i samo ako su im podudarni nagibni uglovi. Takođe, može se uvesti relacija ">" između diedara, pa se za jedan diedar kaže da je veći od drugog, ako mu je veći nagibni ugao. Za konveksni diedar se kaže da je oštar, prav ili tup u zavisnosti da li mu je nagibni ugao oštar, prav ili tup. Ovi pojmovi omogućuju da se definiše relacija ortogonalnosti ravni. Definicija. Neka se ravni α i β seku po pravoj p. Ugao manjeg od diedara, koje te ravni određuju, naziva se ugao između tih ravni. U specijalnom slučaju, kada je taj ugao prav, kažemo da je ravan α normalna na ravni β u oznaci α⊥β.

Od posebnog značaja je sledeća teorema: Teorema 1. Ako je prava n normalna na ravni π, svaka ravan α, koja sadrži pravu n, normalna je na ravni π.

IV Vektori

117

Dokaz: Neka je a π∩α=p. Kako je n⊥π, to je prava n upravna na pravoj p u nekoj tački N. Označimo sa s pravu ravni π upravnu na pravoj p u tački N. π Kako je p⊥n i p⊥s, prava p je upravna i na ravni određenoj pravama n i s, dakle ∠nNs je nagibni ugao diedra αpπ. Iz n⊥π sledi n⊥s, pa je nagibni ugao prav i po prethodnoj definiciji ravan α je upravna na ravni π. q

n N p

s

α

Zadaci 1. Neka je β⊥α i A∈β. Ako je n prava koja sadrži tačku A i upravna je na ravni α, dokazati da n⊂β. 2. Ako je jedna ravan upravna na dvema ravnima, koje se seku, dokazati da je ta ravan upravna i na presečnoj pravoj ovih ravni. 3. Ako je ravan π normalna na presečnoj pravoj ravni α i β, dokazati da je π⊥α i π⊥β. 4. Ako su iz tačke P u unutrašnjosti diedra konstruisane normale na strane diedra, one tada određuju ugao suplementan nagibnom uglu diedra. Dokazati. 5. Da li je je tačno tvrđenje: Ako je α⊥π i β⊥π, tada je α||β.

5.7 Ugao prave prema ravni. Ugao dveju mimoilaznih pravih. Upoznaćemo najpre pojam ortogonalne projekcije neke figure na neku ravan. Definicija. Ortogonalna (normalna) projekcija neke tačke na neku ravan je podnožje normale, koja sadrži tu tačku, na tu ravan. Skup ortogonalnih projekcija svih tačaka neke figure na neku ravan naziva se ortogonalna (normalna) projekcija te figure na tu ravan.

118

IV Vektori

Teorema 1. Ortogonalna projekcija prave p na neku ravan π, na koju nije normalna, je prava p'. Dokaz: Neka je α ravan određena pravom p p i tačkom A' (ortogonalnom projekcijom tačke A prave p na ravan π) Kako ravan α sadrži pravu AA', upravnu na π, to je, po teoremi iz prethodnog odeljka α⊥π. Ali tada p' ravan α sadrži i sve prave XX'; gde X∈p π (videti zadatak 1, iz prethodnog odeljka). Ako sa p' označimo π∩α, na osnovu prethodnog zaključujemo da je svaka tačka ortogonalne projekcije prave p na ravan π na pravoj p'. Na sličan način zaključujemo i da je svaka tačka prave p' ortogonalna projekcija neke tačke prave p na ravan π. Dakle, tražena ortogonalna projekcija je zaista prava p'. q Definicija. Oštar ugao koji prava p obrazuje sa svojom ortogonalnom projekcijom p' u ravni π naziva se ugao prave p prema ravni π. Specijalno u slučaju kada je p⊥π, taj ugao je prav.

Dve mimoilazne prave nemaju zajedničkih tačaka, pa i ne određuju nijedan ugao. Međutim, može se definisati ugao dveju mimoilaznih pravih. Posebno će biti značajan slučaj kada je taj ugao prav. Definicija. Ugao dveju mimoilaznih pravih je ugao koji određuju njima paralelne prave p1 i q1, koje se seku u nekoj tački S.

Može se dokazati da taj ugao ne zavisi od izbora tačke S. Korišćenjem ovog pojma, možemo uopštiti neka, od ranije poznata, tvrđenja. Teorema 2. Neka je p prava upravna na dve prave a i b, ravni α, koje se seku. Tada je p⊥α. Dokaz: Dokažimo najpre da ne može biti p||α. Neka je q prava koja sadrži presečnu tačku pravih a i b, i paralelna je sa pravom p. U tom slučaju iz relacija p||q i a||a, na osnovu definicije ugla mimoilaznih pravih, sledi da je q⊥a. Na isti način se dokazuje i da je q⊥b. Tada je na osnovu Košijeve teoreme q⊥α. Dakle, ne može biti p||α jer bi u tom slučaju bilo i q||α.

IV Vektori

119

p

p q a

a α

α

b

a A

b

b

n l

l' A

α

Neka je p∩α={A}. i neka su a' i b' prave ravni α, koje sadrže tačku A i paralelne su redom sa pravama a i b. Kako je p⊥a i p⊥b, to je, po definiciji ugla mimoilaznih pravih, p⊥a' i p⊥b', odnosno po Košijevoj teoremi p⊥α. q Teorema 3. Ako je prava n upravna na ravni α, tada je n upravna na svim pravama ravni α. Dokaz: Neka je l prava ravni α i neka je n∩α={A}. Ako A∈l tvrđenje sledi neposredno. Pretpostavimo sada da A∉l. Neka je l' prava ravni α koja sadrži tačku A i paralelna je pravoj l. Tada je n⊥l', pa je i n⊥l. q

Zadaci 1. Dokazati da postoji tačno jedna prava koja seče svaku od dve date mimoilazne prave pod pravim uglom (tzv. zajednička normala mimoilaznih pravih). 2. Ugao prave prema ravni, na koju nije upravna, manji je od ugla koji ova prava obrazuje sa ma kojom drugom pravom te ravni. Dokazati. 3. Ako su dve prave paralelne, onda su i njihove projekcije na istu ravan takođe paralelne. Dokazati. 4. Neka su A, B, C, D četiri nekomplanarne tačke takve da je AB⊥CD, AD⊥BC, AC⊥BD. Ako je ∠BAC prav ugao, dokazati da su i uglovi CAD i BAD pravi.

120

IV Vektori

Razni zadaci (normalnost pravih i ravni) 1. Ako su dve ravni upravne na istoj pravoj, one su među sobom paralelne. Dokazati. 2. Ako je prava n upravna na jednoj od dveju paralelnih ravni, upravna je i na drugoj. Dokazati. 3. Ako je prava AA' upravna na ravan α (A'∈α), i B proizvoljna tačka te ravni, dokazati da je AA'
IV Vektori

121

13. Neka su A, B, C, D četiri nekomplanarne tačke takve da je prava AD upravna na ravni određenoj tačkama B, C, D. Ako je DE visina trougla DBC, dokazati da je ravan određena tačkama A, D, E upravna na ravan određenu tačkama A, B, C. 14. Neka su A, B, C, D četiri nekomplanarne tačke takve da je prava AD upravna na ravni određenoj tačkama B, C, D. Ako je BF visina trougla ABC i BK visina trougla DBC, dokazati da je ravan određena tačkama B, F, K upravna na ravan određenu tačkama A, B, C. 15. Neka su α i β dve ravni i p i q dve prave takve da je p⊥α i q⊥β. Dokazati ekvivalenciju: α||β ⇔ p||q 16. Neka su p i q mimoilazne, među sobom upravne prave. Ako je ravan α upravna na pravoj p, dokazati da je q||α. 17. Neka su M, N, P, Q tačke ravni α takve da je MN∩PQ={S} i MS≅NS i PS≅QS. Neka je A tačka van ravni α takva da je AM≅AN i AP≅AQ. Dokazati da je AS⊥α.

Glava VI

Konstrukcija ravnih figura

Konstruktivni zadaci u geometriji su posebna vrsta zadataka, koji zahtevaju naročitu preciznost i podrazumevaju određenu formu rešavanja. U zadatku se zahteva da se primenom lenjira i šestara tj. koristeći neke osnovne konstrukcije, konstruišu određene geometrijske figure (trougao, četvorougao, krug, prava, tačka,...) koje zadovoljavaju postavljene zahteve. Ti zahtevi mogu biti različiti, bilo da neka duž ili ugao treba da budu podudarni datoj duži ili uglu, bilo da tražena figura bude u nekom karakterističnom položaju prema nekim datim figurama. Važno je istaći da se ovde ne radi o crtanju, već konstrukciji koja predstavlja niz koraka od kojih je svaki neka osnovna konstrukcija. Osim toga, u zadatku je potrebno da se obrazloži kako se konstrukcija može izvesti, dokaže tačnost rešenja i diskutuje broj rešenja. Zadatak se smatra rešenim, ako je ukazano na način konstrukcije figure i ako je dokazano da se kao rezultat naznačenih konstrukcija dobija baš figura koja zadovoljava sve postavljene uslove. Osnovne konstrukcije, delimo u dve grupe. Prve zovemo: osnovne konstrukcije koje se mogu realizovati lenjirom, a druge: osnovne konstrukcije koje se mogu realizovati šestarom. •

Osnovne konstrukcije koje se mogu realizovati lenjirom su: 1. konstrukcija prave koja sadrži dve date tačke; 2. konstrukcija poluprave sa datom početnom i još jednom svojom tačkom; 3. konstrukcija duži čije su krajnje tačke dve date tačke.

•

Osnovne konstrukcije koje se mogu realizovati šestarom su: 122


123

4. konstrukcija kruga čiji je centar data tačka i poluprečnik data duž; 5. konstrukcija kružnog luka kome su centar, dve krajnje tačke i jedna tačka, četiri date tačke. Koristeći samo prvu grupu osnovnih konstrukcija ne mogu se izvršiti sve konstrukcije koje se mogu dobiti primenom obe grupe. Primer za to je konstrukcija središta date duži. U tom slučaju kažemo da nije moguća konstrukcija središta duži samo pomoću lenjira. Ali ima konstruktivnih zadataka koji se ne mogu rešiti ni primenom obe grupe osnovnih konstrukcija. Najpoznatiji među njima su problem trisekcije ugla i problem kvadrature kruga. Prvi glasi: konstruisati dve poluprave koje dati ugao dele na tri podudarna, a drugi: konstruisati kvadrat jednake površine kao dati krug29. U oba slučaja kažemo da zadatak nije moguće rešiti primenom lenjira i šestara. Osim ovih, postoji još mnogo sličnih problema za koje je dokazano da se ne mogu rešiti samo pomoću lenjira i šestara30. Pri rešavanju zadataka nećemo konstrukciju uvek svoditi na osnovne, već ćemo koristiti neke jednostavne iz njih izvedene. Te najjednostavnije konstrukcije, izvedene iz osnovnih, nazivaju se elementarne konstrukcije. U toku rada njih ćemo smatrati poznatim i nećemo ih objašnjavati niti dokazivati njihovu ispravnost. Navedimo sledeće elementarne konstrukcije: ∗ konstrukcija medijatrise duži; ∗ konstrukcija bisektrise ugla; ∗ konstrukcija paralelnih pravih (polupravih, duži); 29

Ovi problemi javlili su se još u Staroj Grčkoj. Osim njih tada je postavljen i tzv. problem udvostručenja kocke: konstruisati ivicu kocke čija je zapremina dva puta veća od kocke date ivice. Nemogućnost konstrukcije samo pomoću lenjira i šestara, za sva tri prethodna problema, dokazana je u XIX veku, nakon razvitka teorije grupa koju je otkrio francuski matemetičar E. Galoa (1811-1832). Dokaz, za problem udvostručenja kocke, izveo je francuski matematičar P. L. Vancel (1814-1848), 1837. g. 30 Čuveni nemački matematičar C. F. Gaus (1777-1855) je 1796. g. dokazao, da je pravilan n-tougao moguće konstruisati pomoću lenjira i šestara ako i samo ako je l

n= 2 ⋅ p , gde je p ili 1 ili prost broj koji se može napisati u obliku 2 + 1, za l = 0, 1, 2, . . . (Fermaovi brojevi). Dakle, pravilan n-tougao je moguće konstruisati pomoću lenjira i šestara za n = 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 17, . . ., a nije moguće konstruisati za n = 7, 9, 11, 13, 14, 15, 18, 19, . . . . Inače, Fermaovi brojevi nisu svi prosti (npr. za l=5). k

2

124


∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

∗

konstrukcija normalnih pravih (polupravih, duži); konstrukcija duži podudarne datoj duži; konstrukcija ugla podudarnog datom uglu; konstrukcija središta duži; konstrukcija tangente datog kruga iz date tačke; konstrukcija trougla čije su ivice podudarne trima datim dužima; konstrukcija trougla kome su odgovarajuća ivica i dva ugla podudarni datoj duži i datim uglovima; konstrukcija trougla kome su dve ivice i njima zahvaćeni ugao podudarni datim dužima i datom uglu; konstrukcija trougla kome su dve ivice i ugao naspram jedne od njih podudarni datim dužima i datom uglu, pri čemu je poznato da je ugao naspram druge ivice oštar, prav ili tup; konstrukcija geometrijskog mesta tačaka iz kojih se data duž vidi pod datim uglom.

Rešavanje konstruktivnog zadatka (konstruisati figuru Φ koja zadovoljava uslove A) sastoji se iz četiri etape: (I)

Analiza je razmatranje mogućnosti da se dođe do rešenja. U ovoj etapi pretpostavljamo da je zadatak rešen tj. da figura Φ zadovoljava uslove A. Zatim razmatramo odnose između datih i traženih elemenata i dolazimo do uslova B koje figura Φ zadovoljava, a pomoću kojih se Φ može lakše konstruisati. Na kraju dokazujemo A⇒B.

(II) Konstrukcija se sastoji od toga da se polazeći od zadatih elemenata, primenom konačnog broja osnovnih i elementarnih konstrukcija, dođe do tražene figure Φ, tako da zadovoljava uslove B. Pri tome je obavezno da se svaki od koraka opiše. (III) Dokaz je etapa u kojoj treba dokazati da ovako konstruisana figura Φ zadovoljava uslove zadatka tj. uslove A. Zapravo dokazujemo B⇒A. Pri tome su neki delovi dokaza neposredni, pa kažemo da je taj deo ispravan "po konstrukciji". (IV) Diskusija se sastoji u ispitivanju egzistencije i broja rešenja u zavisnosti od datih uslova A.


125

Na kraju napomenimo da se u ovoj glavi izvode konstrukcije primenom podudarnosti. U narednim glavama rešavaćemo konstruktivne zadatke primenom drugih metoda (primenom izometrije, homotetije, sličnosti, itd.). Takođe, na sličan način se mogu rešavati i konstruktivni zadaci u prostoru. Ceo tok rešavanja konstruktivnih zadataka pokazaćemo na nekoliko primera: Primer 1. Konstruisati krug k koji sadrži dve date tačke M i N i čiji centar pripada datom krugu k1(O1,r1). Rešenje: Analiza. Centar traženog kruga je jednako k1 O' udaljen od tačaka M i N, pa tačka O pripada medijatrisi duži MN i biće presek te medijatrise i kruga k1. k Konstrukcija. Konstruišimo medijatrisu O duži MN. Ona seče krug k1 u nekoj tački O. M N Konstruišimo krug k sa centrom O koji sadrži tačku M. Dokažimo da je k traženi krug. Dokaz. Treba dokazati da: (1) krug sadrži tačke M i N; (2) centar kruga k pripada krugu k1. (1) Krug k sadrži tačku M po konstrukciji, a tačku N jer je ON≅OM (tačka O pripada medijatrisi duži MN, pa je jednako udaljena od njenih krajnjih tačaka). (2) Centar kruga k, tačka O, pripada krugu k1 po konstrukciji. Diskusija. Zadatak ima dva, jedno ili nijedno rešenje u zavisnosti od toga da li konstruisana medijatrisa seče, dodiruje ili nema zajedničkih tačaka sa krugom k1. Primer 2. Konstruisati trougao ABC kome su ivice AB, AC i visina iz temena B podudarni trima datim dužima c, b, hb.

126


Rešenje: C' Analiza. Neka je D podnožje visine iz b temena B. U pravouglom trouglu ABD A poznate su hipotenuza AB≅c i kateta D BD≅hb; prema tome, taj trougao se može b c hb konstruisati. Treće teme traženog trougla pripada pravoj AD. C B Konstrukcija. Konstruišimo najpre trougao ADB (AB≅c, ∠ADB=90o, BD≅hb). Na pravoj AD odredimo, zatim tačku C tako da je AC≅b. Dokažimo da je ABC traženi trougao. Dokaz. U dobijenom trouglu je AB≅c i AC≅b, po konstrukciji. Kako je ∠ADB=90o, to je duž BD visina trougla, a ona je podudarna duži hb po konstrukciji. Diskusija. Rešenje zadatka je moguće ako i samo ako je moguće konstruisati trougao ABD, tj. ako je hb≤c. Prilikom konstrukcije tačke C, postoje dve mogućnosti - sa raznih strana tačke A, dakle, dobijaju se dva rešenja. U slučaju kad je hb≅c ta dva trougla su pravougli i podudarni. Primer 3. Konstruisati trougao ABC ako su unutrašnji uglovi kod temena B, C podudarni datim uglovima β i γ , a zbir ivica AB i AC podudaran datoj D duži d. A Napomena: Ubuduće ćemo ovakav d zadatak, konstrukcije trougla iskazivati s u obliku: konstruisati trougao ABC ako je dato: γ β B C β, γ, b+c. Rešenje: Analiza. Neka je D tačka prave takva da je AD≅AC i B(B,A,D). Tada je BD=BA+AD=BA+AC=d, pa je BD≅d. Kako je trougao ADC jednakokraki, 1 β+γ . Dakle, može se konstruisati to je ∠ADC≅∠ACD= ∠BAC = 900 − 2 2 trougao BCD. Konstrukcija. Konstruišimo trougao BCD (BD≅d, ∠CBD≅β, ∠BCD=90oβ+γ ). Medijatrisa s duži DC seče pravu BD u tački A. Dokažimo da je 2 ABC traženi trougao.


127

Dokaz. Medijatrisa ivice DC sadrži teme A trougla ACD; dakle taj trougao je jednakokraki. Odatle zaključujemo da je: AB+AC=AB+AD=BD, a BD≅d, po konstrukciji. Takođe, sledi i da je o o o β+ γ )=γ. ∠ADC≅∠ACD, pa je ∠ACB=180 -β-2∠ADC=180 -β-2(90 2 Najzad je ∠ABC≅β, po konstrukciji. Diskusija. Neophodno je da bude β+γ<180o. U protivnom nema rešenja. β+γ Inače, rešenje je jedinstveno. Napominjemo da važi i β+90o<180o 2 (ovaj uslov se svodi na β-γ<180o i uvek važi jer je β+γ<180o) tako da se ∆DBC može konstruisati. Primer 4. Konstruisati trougao ABC ako je dato: a, α, ha. Rešenje: A A' Analiza. Tačka A pripada p α geometrijskom mestu tačaka iz kojih ha se duž BC vidi pod uglom α, a isto tako i pravoj paralelnoj pravoj BC na odstojanju ha. Znači, teme A je presek a B C prave i odgovarajućeg kružnog luka. Konstrukcija. Konstruišimo geometrijsko mesto tačaka iz kojih se duž BC≅a vidi pod uglom α. (videti odeljak 5.2.) i pravu p||BC na odstojanju ha. Sa A označimo presek prave i pomenutog geometrijskog mesta tačaka. Dokažimo da je ABC traženi trougao. Dokaz. BC≅a, po konstrukciji. Tačka A, po konstrukciji, pripada odgovarajućem geometrijskom mestu tačaka iz kojih se duž BC vidi pod uglom α, pa je ∠BAC≅α. Visina trougla ABC iz temena A podudarna je duži ha, jer tačka A pripada pravoj koja je na odstojanju ha paralelna sa BC. Diskusija. Neophodno je da bude α<180o. Broj rešenja zadatka jednak je broju presečnih tačaka prave p i kružnog luka (pomenutog geometrijskog mesta tačaka). Primer 5. Konstruisati trapez ABCD ako su kraci BC, AD, srednja linija i razlika osnovica AB i CD podudarni četirima datim dužima c, d, m, a-b.

128


Rešenje: D C Analiza. Neka je E presečna tačka p M N m prave AB sa pravom koja je u tački C d c paralelna sa pravom AD. Tada je d četvorougao AECD paralelogram, pa je A a-b B E CE≅AD≅d; EB=AB-CD=a-b. Dakle, trougao EBC se može konstruisati. Konstrukcija. Konstruišimo trougao EBC (BC≅c, EC≅d, EB≅a-b). Neka je N središte duži BC. Konstruišimo pravu p, p∋N i p||EB. Odredimo tačku M tako da M∈p, MN≅m i tačka M je sa one strane prave BC sa koje je i tačka E. Konstruišimo zatim pravu q, q∋C i q||p i r∋M i r||EC. Prava r seče pravu EB u tački A, a pravu q u tački D. Dokažimo da je četvorougao ABCD traženi trapez. Dokaz. Četvorougao ABCD je trapez, jer je q||EB po konstrukciji; BC≅c, takođe po konstrukciji. Četvorougao AECD je paralelogram, pa je AD≅EC≅d; duž MN je srednja linija trapeza, jer je N središte duži BC i MN||AB a MN≅m, po konstrukciji. Diskusija. Da bi rešenje postojalo, potrebno je i dovoljno da bude: a− b |c-d| . 2 Primer 6. Neka su: l duž, p i q paralelne prave i M tačka van njih. Konstruisati pravu koja sadrži tačku M tako da ona seče prave p i q u tačkama koje određuju duž podudarnu duži l.


129

Rešenje: Analiza. Neka su P, Q i Q' tačke Q Q' q pravih p, odnosno q, takve da je M PQ≅PQ'≅l. Tada je tražena P p prava paralelna pravoj PQ ili a a PQ', jer je jedan od l odgovarajućih četvorouglova k paralelogram. Konstrukcija. Neka je P proizvoljna tačka prave p. Konstruišimo krug k(P,l). Neka je Q jedna od presečnih tačaka tog kruga sa pravom q. Konstruišimo pravu a, a∋M i a||PQ. Dokažimo da je a tražena prava. Dokaz. Kako je p||q i PQ||a četvorougao određen pravama p, q, a, PQ je paralelogram, pa je odsečak prave a između pravih p i q podudaran duži l. Diskusija. Broj rešenja jednak je broju presečnih tačaka kruga k i prave q. Označimo sa d odstojanje pravih paralelnih p i q. Ako je dl zadatak nema rešenja.

Zadaci Uobičajene oznake za elemente trougla ABC su: − a, b, c - ivice; − α, β, γ - odgovarajući uglovi; − ha, hb, hc - visine; − ta, tb, tc - težišne duži; − la, lb, lc - odsečci bisektrisa unutrašnjih uglova (duži određene temenima i presecima bisektrisa sa naspramnim ivicama); − s - poluobim; − R, r, ra, rb, rc - poluprečnici opisanog, upisanog i spolja upisanih krugova. 1. Konstruisati trougao ABC ako je dato: (i) α, β, s; (ii) a-b, c, γ; (iii) a, α, b+c; (iv) a, β-γ, b-c; (v) a, β-γ, b+c; (vi) b, c, ha; (vii) b, ha, hb; (viii) α, hb, hc;

130


(ix) ha, α, β; (x) b, a+c, hc; (xi) b-c, hb, α; (xii) a, tb, tc; (xiii) b, c, ta; (xiv) ta, tb, tc; (xv) c, ha, la; (xvi) c, ha, tb; (xvii) b, la, α; (xviii) ha, hb, ta; (xix) ta, hb, b+c; (xx) a, b, β-γ. 2. Konstruisati jednakokraki trougao ABC ako je dato: (i) osnovica i zbir kraka i visine koja odgovara osnovici; (ii) obim i visina koja odgovara osnovici; (iii) visine; (iv) ugao na osnovici i odsečak njegove bisektrise; (v) krak AC i na njemu tačka B' podnožje visine iz temena B; (vi) krak i visina koja mu odgovara. 3. Konstruisati pravougli trougao ABC (∠C=90o) ako je dato: (i) α, a+b; (ii) α, a-b; (iii) a, b+c; (iv) c, a+b; (v) ta, tc; (vi) a, c-b; (vii) a+hc, α; (viii) tc, hc; (ix) a, ta. 4. Konstruisati pravougaonik ako je dato: (i) dijagonala i razlika susednih ivica; (ii) dijagonala i obim; (iii) obim i ugao između dijagonala. 5. Konstruisati romb ako je dato: (i) ivica i zbir dijagonala; (ii) ugao i zbir dijagonala; (iii) ugao i razlika dijagonala. 6. Konstruisati paralelogram ABCD ako je dato: (i) ivica i obe visine; (ii) dijagonala i obe visine; (iii) ivica AB, ugao kod temena A i zbir BC+AC. 7. Konstruisati trapez ako je dato: (i) sve četiri ivice; (ii) osnovice i dijagonale; (iii) obe osnovice i uglovi na manjoj osnovici; (iv) zbir osnovica, visina i uglovi na većoj osnovici.


131

8. Konstruisati deltoid ABCD ako su dati: dijagonala AC (koja je osa simetrije deltoida), ugao između nje i ivice AD i zbir dve nejednake ivice AD+DC. 9. Konstruisati četvorougao ABCD ako je dato: (i) sve četiri ivice i ugao između dve naspramne ivice; (ii) tri ivice i uglovi nalegli na četvrtoj ivici; (iii) središta triju ivica i jedna duž paralelna i podudarna četvrtoj ivici. 10. Konstruisati trougao ABC ako je dato: (i) a, α, r; (ii) a, α, ra; (iii) a, hb, hc; (iv) α, ha, s; (v) ha, la, r; (vi) α, la, ha; (vii) α, β, R; (viii) a, R, r; (ix) a, hb, R. 11. Konstruisati krug tako da: (i) dodiruje dve date neparalelne prave p i q, dodirna tetiva podudarna je datoj duži t; (ii) centar tog kruga bude data tačka, a na datoj pravoj odseca tetivu podudarnu datoj duži t; (iii) sadrži dve date tačke, a centar mu pripada datom krugu k1; (iv) ima dati poluprečnik r i dodiruje dva data kruga - jedan spolja a jedan iznutra. 12. Koristeći samo lenjir, konstruisati normalu iz date tačke M, koja ne pripada datom krugu k, na dati prečnik tog kruga (ili na pravu njime određenu). 13. Dat je kvadrat ABCD. Na ivicama BC i CD date su tačke M i N takve da je ∠MAN=45o. Koristeći samo lenjir, konstruisati normalu iz tačke A na pravu MN. 14. Konstruisati kvadrat ABCD ako je dato teme B i dve tačke, E i F, koje pripadaju ivicama AD i DC ili pravama njima određenim. 15. Data je prava CD i dve tačke A i B van te prave. Konstruisati na pravoj CD tačku M takvu da je ∠AMC=2∠BMD. 16. Konstruisati trougao ako su centri opisanog, upisanog i spolja upisanog kruga tog trougla tri date tačke.

132


17. Konstruisati trougao ABC ako su teme A, ortocentar H i centar opisanog kruga O, tog trougla tri date tačke. 18. Na pravoj određenoj ivicom AB pravougaonika ABCD odrediti takvu tačku E iz koje se ivice AD i DC vide pod jednakim uglovima. Kada zadatak ima rešenja? 19. U dati krug upisati trougao ABC ako su dati: teme A, pravac visine AA' i tačka preseka prave određene visinom BB' sa tim krugom. 20. U konveksnom četvorouglu ABCD važi BC≅CD. Date su ivice AB i AD i uglovi kod temena B i D. Konstruisati četvorougao. 21. Konstruisati pravilan trougao ABC, ako je njegova ivica podudarna datoj duži a i ako dve ivice AB i AC i bisektrisa unutrašnjeg ugla AE (ili prave njima određene), sadrže redom tri date kolinearne tačke M, N, P. 22. Konstruisati trougao ABC ako je dato: (i) ha, la, ta; (ii) R, β-γ, ta; (iii) R, β-γ, ha;

(iv) a, α, β-γ.

23. Konstruisati trougao ABC ako je dato: (i) temena B i C i prava kojoj pripada bisektrisa unutrašnjeg ugla kod temena A; (ii) tačke A, O, E, gde je O centar opisanog kruga, a E presek ivice BC sa bisektrisom unutrašnjeg ugla kod temena A; (iii) tačke M, N, P u kojima prave određene visinom ha, bisektrisom la i težišnom duži ta, seku krug opisan oko tog trougla; (iv) jedno teme i centri upisanog i opisanog kruga; (v) tačke A, O, N, gde je O centar opisanog kruga, N presek tog kruga sa bisektrisom unutrašnjeg ugla kod temena A i ivica BC podudarna datoj duži a. 24. Konstruisati kvadrat ABCD, ako su date tačke P, Q, R, S koje pripadaju ivicama AB, BC, CD, DA tog kvadrata. 25. Konstruisati trougao ABC ako su date ivice a i b i važi: ∠CAB=3∠ABC. 26. Kroz tačku M unutar datog kruga konstruisati tetivu, tako da razlika njenih odsečaka bude jednaka datoj duži a.


133

27. Neka je A tačka kruga k. Koristeći samo šestar, konstruisati kvadrat ABCD upisan u dati krug31. 28. Konstruisati zajedničke tangente data dva kruga. 29. Neka su A, B, C tri nekolinearne tačke. Konstruisati tačku D, takvu da

je četvorougao ABCD tetivni i tangentni. 30. Konstruisati trougao ABC ako je dato: (i) b-c, r, ra; (ii) a, b-c, r; (iii) a, r, ra; (iv) b-c, r, hb; (v) a, b+c, r; (vi) a, rb+rc, ha; (vii) b+c, rb, rc; (viii) α, b+c, r; (xi) b, R, r+ra; (xii) a, ha, ra-r. (ix) R, r, ra; (x) R, rb, rc; 31. Neka je AB data duž. Koristeći samo lenjir, uz mogućnost konstrukcije paralelnih pravih (konstrukcije u afinoj geometriji), konstruisati tačku C, tako da je: 3 (ii) AC = AB . (i) AC = 5 AB ; 7

31

Konstrukcije samo pomoću šestara, proučavali su italijanski matematičar L. Maskeroni (1750-1800) i, još sto godina pre njega, danski matematičar G. Mor (1640-1697) u svojoj knjizi "Danski Euklid" iz 1672. g. Teorijsku osnovu ovih konstrukcija dao je austrijski matematičar A. Adler, koji je 1890. g. dokazao da svaki zadatak koji se može rešiti pomoću lenjira i šestara, može biti rešen i samo pomoću šestara.

Glava VII

Izometrijske transformacije ravni. Klasifikacija

U trećoj glavi uveli smo izometrijske transformacije kao bijektivna preslikavanja koja čuvaju relaciju podudarnosti parova tačaka. Tada su nam one bila potrebne zbog definisanja relacije podudarnosti figura uopšte. Sada ćemo detaljnije izučiti izometrije euklidske ravni, njihova svojstva, uvesti specijalne vrste izometrija i na kraju izvršiti njihovu klasifikaciju.

7.1 Direktne i indirektne izometrijske transformacije U trećoj glavi dokazali smo, da izometrija ravni koja nije koincidencija ne može imati tri fiksne nekolinearne tačke. Istakli smo, tada, da je broj fiksnih tačaka veoma značajan za klasifikaciju izometrija. Osim toga, važnu ulogu u toj klasifikaciji ima pojam koji ćemo sada uvesti: Definicija. Izometrijska transformacija T : E 2 → E 2 je direktna ako "čuva" orijentaciju ravni E 2 tj. svaki trougao te ravni preslikava u trougao iste orijentacije. Izometrijska transformacija je T : E 2 → E 2 indirektna

A

A

A' T

B

C

A' T

B'

C'

134

B

C C'

B'


135

ako svaki trougao te ravni preslikava u trougao suprotne orijentacije. Može se dokazati da je za neku izometriju dovoljno da jedan trougao preslikava u trougao iste odnosno suprotne orijentacije da bi ona bila direktna odnosno indirektna. To znači da je svaka izometrija ili direktna ili indirektna. Kako koincidencija svaki trougao preslikava u sebe, ona je direktna izometrija. Na osnovu definicije, jasno je, da je proizvod dve direktne izometrije takođe direktna izometrija, a proizvod jedne direktne i jedne indirektne izometrije indirektna izometrija. Kako u ravni postoje tačno dve orijentacije, to proizvod dve indirektne izometrije predstavlja direktnu izometriju. Navedimo sada dve značajne teoreme: Teorema 1.* Neka su AB i A'B' dve podudarne duži ravni E 2 . Tada postoje tačno dve izometrije te ravni koje tačke A i B preslikavaju redom u tačke A' i B', od kojih je jedna direktna a druga indirektna. Teorema 2.* Direktna izometrija ravni E 2 sa bar dve razne fiksne tačke je koincidencija.

Teorema 2 je, zapravo, prvi korak u najavljenoj klasifikaciji izometrija. Ostaje nam još da izučimo direktne izometrije sa jednom i bez fiksnih tačaka, kao i indirektne izometrije koje nemaju nekolinearnih fiksnih tačaka.

7.2 Osna refleksija Sada ćemo se upoznati sa vrstom izometrija koja ima široku primenu u geometriji. Uvešćemo je na nešto drugačiji način, u odnosu na onaj koji smo sreli u osnovnoj školi. Definicija. Neka je p prava ravni E 2 . Izometrijska transformacija te ravni koja nije koincidencija i za koju je svaka tačka prave p fiksna naziva se osna refleksija (simetrija) te ravni u oznaci Sp . Prava p naziva se osa te refleksije.

136


Dokažimo neka svojstva osne refleksije: Teorema 1. Sve fiksne tačke osne refleksije su na osi te refleksije. Dokaz: Neka je A fiksna tačka osne refleksije Sp, A sa osom p. Pretpostavimo suprotno da A∉p. Neka su B i C dve proizvoljne razne tačke prave p. Na osnovu definicije su i B, C fiksne tačke te osne B refleksije, pa bi ona, sa tri fiksne nekolinearne tačke, bila koincidencija (teorema 6, iz odeljka 3.1). Dakle, dolazimo do kontradikcije, pa mora biti A∈p. q

p C

Teorema 2. Osna refleksija je indirektna izometrija. Dokaz: Pretpostavimo suprotno, neka je osna refleksija direktna izometrijska transformacija. Ona ima bar dve fiksne tačke (na osi) pa bi na osnovu teoreme 2, iz prethodnog odeljka, bila koincidencija. To međutim, nije moguće pa sledi da je osna refleksija indirektna izometrija. q

Dokažimo sada da osna refleksija ima svojstvo, koje nam je intuitivno od ranije poznato. Teorema 3. Ako je Sp osna refleksija neke ravni i za neku tačku te ravni važi Sp(X)=X'≠X, tada je osa p te refleksije medijatrisa duži XX'. Dokaz: Neka su A i B proizvoljne tačke ose p. Tada Sp:A,B,XaA,B,X'. Kako je Sp izometrija mora biti AX≅AX' i BX≅BX' pa tačke A i B pripadaju medijatrisi duži XX'. Kako svaka duž ima jedinstvenu medijatrisu, medijatrisa duži XX' je prava AB tj. osa p. q

X

p A

B

X'

Teorema 4.* Jedine prave koje se osnom refleksijom ravni preslikavaju u sebe su osa te refleksije i sve prave te ravni koje su normalne na osu.


137

Intuitivno je čitaocu jasno od ranije da ako dva puta primenimo istu osnu refleksiju, svaku tačku "vraćamo" na svoje mesto. To znači da je kompozicija osne refleksije sa sobom koincidencija odnosno da je inverzna transformacija osne refleksije ista ta refleksija, što možemo zapisati u obliku: Sp2=Sp°Sp=E; Sp-1=Sp. Transformacije koje imaju ovo svojstvo zovu se involutivne transformacije ili involucije. Nije teško i formalno dokazati: Teorema 5.* Osna refleksija je involucija.

Narednom teoremom nastavljamo klasifikaciju izometrija na osnovu broja fiksnih tačaka i toga da li je izometrija direktna ili indirektna. Teorema 6. Ako indirektna izometrija ravni ima bar jednu fiksnu tačku tada ona predstavlja osnu refleksiju čija osa sadrži tu tačku. Dokaz: Neka je A fiksna tačka indirektne izometrije T. Kako je T indirektna ona nije A koincidencija pa postoji neka tačka B te ravni takva da je T(B)=B'≠B. Neka je p medijatrisa duži BB'. T je izometrija koja tačke A i B preslikava u tačke A i B', pa mora biti AB≅AB'. B' B Dakle, tačka A pripada medijatrisi p duži BB'. p Dokažimo da izometrija T predstavlja osnu refleksiju sa osom p tj. da je T=Sp. Kompozicija Sp°T je direktna izometrija sa dve fiksne tačke A i B pa prema već pomenutoj teoremi predstavlja koincidenciju. Dakle Sp°T=E, pa je Sp°Sp°T=Sp°E, tj. T=Sp. q Teorema 7. Neka je T izometrija neke ravni i p proizvoljna prava te ravni koja se tom izometrijom preslikava u pravu p'. Ako je Sp osna refleksija te ravni sa osom p, tada je: T°Sp°T -1 = Sp'. Dokaz: Neka je Y proizvoljna tačka prave p' i X=T -1(Y). Tada tačka X pripada pravoj p pa je Sp(X)=X. Dakle važi: T°Sp°T-1(Y)= T°Sp(X)= -1 je indirektna sa bar jednom fiksnom T(X)=Y. Izometrija T°Sp°T p Y A

T T -1

p

A1 T

p ' A'1

p X

A'

A

S

T -1

A1

A' T

Sp'

A'1

138


tačkom pa, na osnovu prethodne teoreme, predstavlja osnu refleksiju. Tačka Y je proizvoljna tačka prave p', pa kako su u toj osnoj refleksiji sve tačke prave p' fiksne, osa je baš p'. q Inače transformacija T°Sp°T-1 naziva se transmutacija osne refleksije Sp izometrijom T. Prethodna teorema koja je vezana za tu transmutaciju ima široku primenu. Navedimo jednu njenu posledicu: Teorema 8.* Dve osne refleksije neke ravni komutiraju akko su im ose upravne ili jednake, tj. Sq°Sp = Sp°Sq ⇔ (p⊥q ∨ p=q).

Kompozicija dve osne refleksije biće veoma značajna u daljnjem razmatranju izometrija. Odmah možemo zaključiti da je ona, kao kompozicija dve indirektne izometrije, direktna izometrija. Ukoliko su ose tih refleksija jednake, već smo utvrdili da ta kompozicija predstavlja koincidenciju. Naravno, interesantno je pitanje šta ona predstavlja u opštem slučaju, kada su ose različite i komplanarne. Odgovor na to pitanje daćemo uskoro, ali za sada utvrdimo broj mogućih fiksnih tačaka te izometrije. Teorema 9. Neka su p i q dve razne komplanarne prave. Tada je jedina moguća fiksna tačka kompozicije Sq°Sp zajednička tačka pravih p i q (ukoliko se seku), tj. Sq°Sp(X)=X ⇔ X=p∩q. Dokaz: ⇐. Trivijalno, jer ako X∈p i X∈q, tada je Sp(X)= Sq(X)=X, pa je i Sq°Sp(X)=X. ⇒. Neka je Sq°Sp(X)=X i Sp(X)=X'. Tada je Sq(X')=X. Pretpostavimo da je X≠X'. U tom slučaju su, na osnovu teoreme 3, p i q medijatrise duži XX'. To nije moguće jer duž ne može imati dve razne medijatrise pa mora biti X=X'. Tada je Sp(X)=Sq(X)=X, pa tačka X pripada pravama p i q. Kako su one različite, to je njihova presečna tačka. q

Na osnovu prethodne teoreme ako se p i q seku kompozicija Sq°Sp ima samo jednu fiksnu tačku - to je njihova presečna tačka. Ako su prave p i q paralelne kompozicija Sq°Sp nema fiksnih tačaka. Postavlja se pitanje, da li se svaka direktna izometrija T ravni može predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije i to: čije se ose seku ako izometrija T


139

ima fiksnu tačku, ili su paralelne ako nema fiksnih tačaka. To pitanje razmatraćemo u narednom odeljku. Definicija. Prava s je osa simetrije figura Φ i Φ' ako je Ss(Φ)=Φ'. Specijalno ako je Φ=Φ' tj. Ss(Φ)=Φ, kaže se da je figura Φ osnosimetrična i da je s njena osa simetrije. s Φ

Φ'

Φ

s

Primer. Neka su k i l dva kruga sa iste strane prave p neke ravni. Konstruisati tačku A na pravoj p takvu da različite tangente iz te tačke na krugovima k i l sa pravom p određuju podudarne uglove. Rešenje: Izostavićemo detaljno rešenje ovog zadatka, koje uključuje sve etape konstrukcije (glava VI). Neka su q i r tangente krugova k i l redom, koje se seku na pravoj p i sa njom određuju podudarne uglove. Tada je p bisektrisa ugla koji one određuju pa je Sp(r)=q. Dakle, prava q je tangenta i kruga Sp(l), pa je možemo konstruisati kao zajedničku tangentu krugova k i Sp(l). q

r

k

l

q

p A S p( l

Zadaci 1. Dokazati da je osna refleksija jednoznačno određena sa parom X, X' odgovarajućih različitih tačaka.

140


2. Neka su A i B dve tačke sa iste strane prave p. Odrediti tačku X na pravoj p takvu da je zbir AX+XB minimalan32. 3. Ako se prave p1, p2,..., pn prave neke ravni koje se izometrijom T te ravni preslikavaju u prave p'1, p'2 , ... , p'n , dokazati da je: T o S p o ... o S p o S p o T −1 = S p ' o ... o S p ' o S p ' . n n 2 1 2 1 4. Ako je T indirektna izometrija ravni koja tačke A, B preslikava redom u tačke B, A dokazati da je T osna refleksija. 5. Neka su K i L tačke simetrične temenu A trougla ABC u odnosu na bisektrise unutrašnjih uglova kod temena B i C. Ako je P dodirna tačka upisanog kruga tog trougla sa ivicom BC, dokazati da je P središte duži KL. 6. Neka su k i l krugovi sa raznih strana prave p. Konstruisati pravilan trougao ABC čija visina AA' pripada pravoj p a druga dva temena B i C su redom na krugovima k i l.

7.3 Predstavljanje izometrija ravni pomoću osnih refleksija U ovom odeljku dokazaćemo značajno tvrđenje, da se svaka izometrija ravni može predstaviti kao kompozicija konačnog broja osnih refleksija. U tom smislu kaže se da osne refleksije generišu grupu svih izometrija neke ravni. Jasno je, da je broj osnih refleksija koji generišu neku izometriju paran ako je izometrija direktna, odnosno neparan ako je ona indirektna. Teorema. Svaka izometrijska transformacija ravni može se predstaviti kao kompozicija konačnog broja osnih refleksija, pri čemu se te osne refleksije uvek mogu tako izabrati, da njihov broj u kompoziciji ne bude veći od tri. Dokaz: Neka je T : E 2 → E 2 izometrija ravni. Dokaz ćemo izvesti razmatrajući slučajeve po broju fiksnih tačaka.

32

Heron iz Aleksandrije (II vek) formulisao je zakon: zrak emitovan iz tačke A, koji se odbija od p i stiže u tačku B, prelazi najkraći mogući put.


141

1) Ako izometrija T ima bar tri nekolinearne fiksne tačke, tada je ona koincidencija, pa je T = E =Sp2 ; gde je p proizvoljna prava te ravni. 2) Neka izometrija T ima bar dve fiksne tačke. Ako je T direktna tada je na osnovu teoreme 2, odeljka 7.1, T koincidencija pa se to svodi na slučaj 1). Ako je T indirektna, tada ona na osnovu teoreme 6, iz prethodnog odeljka, predstavlja osnu refleksiju. p A p q

3)

A'=T(A

A

4)

3) Neka izometrija T ima tačno jednu fiksnu tačku A. T ne može biti indirektna jer bi u tom slučaju predstavlja osnu refleksiju, koja ima više od jedne fiksne tačke. Neka je T direktna. Označimo sa p proizvoljnu pravu koja sadrži tačku A i neka je Sp osna refleksija sa osom p. Izometrija Sp°T je indirektna sa fiksnom tačkom A, pa predstavlja neku osnu refleksiju Sq čija osa q sadrži tačku A. Dakle Sp°T =Sq, tj. T =Sp°Sq . 4) Neka izometrija T nema fiksnih tačaka. Tada je za proizvoljnu tačku A te ravni T(A)=A'≠A. Neka je p medijatrisa duži AA' i Sp osna refleksija sa osom p. Tada je Sp°T(A)=Sp(A')=A. Dakle, izometrija Sp°T ima bar jednu fiksnu tačku A, pa se na osnovu prethodnih slučajeva Sp°T može predstaviti kao kompozicija najviše dve osne refleksije, tj. Sp°T=Sq ili Sp°T=Sq°Sr . Odatle sledi da se izometrija T može predstaviti kao kompozicija najviše tri osne refleksije, tj. T=Sp°Sq ili T=Sp°Sq°Sr . q

Naravno, neka izometrija se može predstaviti i kao proizvod više od tri osne refleksije, ali se, na osnovu prethodne teoreme, uvek mogu izabrati neke druge ose tako da njihov broj u kompoziciji ne bude veći od tri. Dalje, iz dokaza prethodne teoreme, možemo zaključiti da se svaka direktna izometrija T može predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije, tj. T=Sq°Sp. Ako je T koincidencija, tada je p=q. Ako T ima fiksnih tačaka, tada se p i q seku u toj fiksnoj tački, i ako nema fiksnih tačaka tada su p i q paralelne (teorema 9, iz prethodnog odeljka). Ako je

142


T indirektna izometrija, tada je ona ili osna refleksija ili se može

predstaviti kao kompozicija tri osne refleksije. Ako pri tom T ima fiksnih tačaka tada ona mora biti osna refleksija. U narednom odeljku razmatraćemo pitanje kada kompozicija tri osne refleksije predstavlja osnu refleksiju.

7.4 Pramenovi pravih u ravni Uvedimo pojam pramenova pravih u ravni, za koji će se pokazati da je veoma značajan u klasifikaciji izometrija: Definicija. Skup svih pravih neke ravni koje se seku u nekoj tački S naziva se pramen konkurentnih pravih sa središtem S i označava sa XS. Skup svih pravih neke ravni koje su paralelne sa nekom pravom s te ravni s S XS

Xs

naziva se pramen paralelnih pravih i označava sa Xs. Jasno je, da je svaki pramen konkurentnih pravih neke ravni određen središtem S, a svaki pramen paralelnih pravih jednom svojom pravom. Takođe je jasno da je svaki pramen određen sa neke svoje dve prave p, q, pa ćemo ga u tom slučaju označavati sa X(p,q). Navedimo sada značajnu teoremu koja povezuje pojmove pramenova i izometrijskih transformacija: Teorema 1.* Neka su p, q, r tri prave neke ravni. Kompozicija Sr°Sq°Sp predstavlja osnu refleksiju ako i samo ako prave p, q, r pripadaju jednom pramenu. Pri tome osa te refleksije pripada tom pramenu.

Navedimo i direktnu posledicu prethodne teoreme:


Posledica.*

143

Ako su p, q, r prave nekog pramena tada je Sr°Sq°Sp=Sp°Sq°Sr.

Primer. Neka su p, q, r tri prave neke ravni. Konstruisati trougao ABC čija temena B, C pripadaju pravoj p, takav da su prave q i r medijatrise ivica AB i AC. Rešenje (prvi način): Neka su q i r medijatrise ivica AB i AC. Tada je Sq(B)=A i Sr(C)=A. Tačke B i C pripadaju pravoj p, pa tačka A pripada slikama te prave u odnosu na refleksije Sq i Sr. Dakle, teme A možemo konstruisati kao presečnu tačku pravih Sq(p) i Sr(p). Sr(p)

A

S q( p

r

r q

A

q

O B

C

p l

B

s

C

p

Rešenje (drugi način): Presek pravih q i r je centar opisanog kruga, tačka O. Dakle, možemo konstruisati i treću medijatrisu s ivice BC, kao normalu u tački O na pravoj p. Kompozicija Sq°Sr°Ss predstavlja neku osnu refleksiju Sl (jer q, r, s∈XO). Fiksne tačke te kompozicije su O i B pa je Sq°Sr°Ss=SOB. Pravu OB=l dakle možemo konstruisati, kao medijatrisu duži XX', gde je X proizvoljna tačka i X'=Sq°Sr°Ss(X). U slučaju da je X=X' biće l=OX. Konačno B je presečna tačka pravih p i l. q

Zadaci 1. Neka je k krug i a, b, c prave neke ravni. Konstruisati trougao ABC upisan u taj krug čije su ivice BC, AC, AB paralelne pravama a, b, c redom. 2. Neka je ABCDE tetivan petougao, takav da je BC||DE i CD||EA. Dokazati da teme D pripada medijatrisi ivice AB. 3. Ako za prave p, q, r neke ravni važi Sr°Sq°Sp =Sp°Sq°Sr , dokazati da one pripadaju jednom pramenu. 4. Dokazati da se medijatrise ivica trougla seku u jednoj tački.

144


5. Dokazati da se bisektrise unutrašnjih uglova trougla seku u jednoj tački. 6. Neka je ABC trougao neke ravni. Dokazati da izometrija SAB°SAC°SBC nema fiksnih tačaka.

7.5 Centralna rotacija U prethodnim odeljcima zaključili smo da se svaka direktna izometrija ravni može predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije. Ukoliko se te ose poklapaju, ta kompozicija predstavlja koincidenciju. Preostaju nam još dva slučaja; da se ose seku, odnosno da su paralelne. To nam daje ideju da uvedemo novu vrstu izometrija: Definicija. Neka su p i q dve prave neke ravni koje se seku u tački S i ω ugao jednak dvostrukom orijentisanom uglu pSq, tj. ω=2 pSq. Kompozicija Sq°Sp naziva se centralna rotacija ili kraće rotacija te ravni, u oznaci RS,ω, sa centrom S, za ugao ω. Y'

X'

p

q X

Z' Z S Z1

X1 Y1

X1 p

S

q

Y X

X'

U oznaci rotacije RS,ω moguće je umesto samog ugla ω pisati njegovu meru, s tim što je, u slučaju da je orijentacija ugla ω pozitivna, mera pozitivan realan broj, a u slučaju da je orijentacija negativna, mera negativan broj. U drugoj glavi, negativnu orijentaciju uveli smo intuitivno kao onu u "smeru kazaljke na satu". Kako orijentacija ugla, u tom poglavlju, nije do kraja strogo uvedena, ni dokazi vezani za tu orijentaciju ne mogu biti u potpunosti strogi. Dokažimo neka osnovna svojstva rotacije: Teorema 1. Jedina fiksna tačka rotacije je centar te rotacije.


145

Dokaz: Neka je RS,ω=Sq°Sp , i S=p∩q. Tada je S jedina fiksna tačka kompozicije Sq°Sp (teorema 9, odeljak 7.2). q Teorema 2. Rotacija je direktna izometrijska transformacija. Dokaz: Zaista, rotacija je direktna izometrija, kao kompozicija dve osne refleksije, koje su indirektne izometrije. q

Dokažimo sada, kao kod osne refleksije, da rotacija ima svojstvo koje smo u osnovnoj školi koristili kao njenu definiciju. Naravno, takavu definiciju rotacije smo mogli i ovde uvesti, ali ovaj način njenog definisanja više odgovara ideji klasifikacije izometrija. Teorema 3. Neka je RS,ω=Sq°Sp , i S=p∩q, XSX'≅ω. rotacija neke ravni i X tačka te ravni, različita od centra S. Tada je RS,ω(X)=X', ako i samo ako je XSX'≅ω i SX≅SX'. Tj: X≠S ⇒ ( RS,ω(X)=X' ⇔ ( XSX'≅ω ∧ SX≅SX') ) Dokaz: ⇒. Neka je RS,ω=Sq°Sp i RS,ω(X)=X', za neku tačku X≠S. Tada RS,ω:S,XaS,X', pa kako je RS,ω izometrija, mora biti SX≅SX'. q

X'

Φ

X1 Φ'

S p

S

X

Dokažimo da su uglovi XSX' i ω podudarni i iste orijentacije. Neka je Sp(X)=X1. Tada je Sq(X1)=X'. Razmatraćemo samo slučaj kad tačka X1 pripada odgovarajućem orijentisanom uglu određenom pravama p i q (koji je polovina orijentisanog ugla ω). U tom slučaju je: XSX'= =2 =2( =2

XSX1+ X1SX' p,SX1+2 SX1,q p,SX1+ SX1,q) pq=ω.

146


⇐. Neka su uglovi XSX' i ω podudarni i iste orijentacije i SX≅SX'. Neka je dalje, X"=RS,ω(X). Na osnovu prvog dela dokaza su uglovi XSX" i ω podudarni i iste orijentacije i SX≅SX". Dakle, tačke X' i X" pripadaju krugu k(S,SX) i odgovarajućoj polupravoj l takvoj da je XS,l≅ω. Odatle zaključujemo da je X'=X" tj. RS,ω(X)=X'. q Direktna posledica prethodne teoreme je sledeće značajno tvrđenje: Teorema 4. Rotacija RS,ω je jednoznačno određena svojim centrom S i uglom ω, i može se predstaviti kao kompozicija proizvoljnih osnih refleksija čije se ose p i q seku u tački S i određuju orijentisani ugao jednak uglu ω/2.

Dokazali smo da je rotacija direktna izometrija i da ima tačno jednu fiksnu tačku. Sada ćemo dokazati i obratno tvrđenje: Teorema 5. Direktna izometrija ravni sa tačno jednom fiksnom tačkom je rotacija. Dokaz: Neka je T direktna izometrija sa jedinstvenom fiksnom tačkom S. Na osnovu teoreme o predstavljanju izometrija, svaka direktna izometrija može se predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije tj. T=Sq°Sp. Ne može biti p=q, jer bi T predstavljala koincidenciju, a ona nema samo jednu fiksnu tačku. Prema teoremi 9, odeljka 7.2, jedina fiksna tačaka kompozicije Sq°Sp je presečna tačka pravih p i q. Dakle, p i q se seku u tački S pa je T po definiciji rotacija sa centrom S. q

Na taj način smo ispitali koje su sve izometrije sa fiksnim tačkama. U narednim odeljcima ostaje nam da razmotrimo izometrije koje nemaju fiksnih tačaka. Teorema 6.* Neka je T izometrija, i RS,ω rotacija iste ravni. Ako je S'=T(S), tada je: T°RS,ω°T -1 = RS',ω' ; gde je ω'=ω, ako je T direktna i ω'= -ω, ako je T indirektna.

Lako se dokazuje da inverzna transformacija rotacije predstavlja takođe rotaciju sa istim centrom, za podudaran ugao suprotne orijentacije. U primeni rotacija, od velikog značaja je kompozicija dve rotacije. U vezi sa tim važno je naredno tvrđenje:


147

Teorema 8. Neka su RA,α, RB,β dve rotacije neke ravni, takve da je α+β≠0o i α+β≠±360o. Tada kompozicija RB,β°RA,α predstavlja rotaciju za ugao α+β sa centrom C; gde je CAB=α/2 i ABC=β/2. Dokaz: Pretpostavimo da su centri A i B različiti (slučaj kada je A=B je C ω / 2 trivijalan). Neka su p i q prave te p,AB=α/2 i ravni, takve da je p q AB,q=β/2. Iz uslova teoreme je o α+β≠180 , pa se prave p i q seku u α/2 β/2 nekoj tački C. Rastavljajući svaku B A od rotacija pomoću osnih refleksija dobijamo: RB,β°RA,α = Sq°SAB°SAB°Sp = Sq°Sp = RC,ω , gde je C=p∩q i ω=2 pCq. Ugao pCq je spoljašnji ugao trougla ABC pa je jednak zbiru uglova p,AB i AB,q. Odatle sledi ω=α+β. q Primer. Neka je ABCD romb kod koga je unutrašnji ugao kod temena A jednak 60o. Ako prava l seče ivice AB i BC, tog romba, u tačkama P i Q takvim da je BP+BQ=AB, dokazati da je trougao PQD pravilan. Rešenje: Najpre iz uslova zadatka, kako je AB≅BC, sledi i AP≅BQ (1). Rotacija R D,60o preslikava tačke A, B

D

C l Q

A B redom u tačke B i C. Dakle, ta rotacija P preslikava polupravu AB u polupravu BC, i konačno na osnovu uslova (1), tačku P u tačku Q. Sada iz R D,60o (P)=Q direktno sledi da je trougao APQ pravilan. q

Zadaci 1. Ako su RS,ω rotacija i Sp osna refleksija neke ravni, takve da S∈p, dokazati da svaka od kompozicija RS,ω°Sp , Sp°RS,ω predstavlja osnu refleksiju te ravni. 2. Ako neka izometrija ravni ima tačno jednu fiksnu tačku, dokazati da ona predstavlja rotaciju.

148


3. Neka su p i q prave neke ravni i A tačka te ravni van pravih p i q. Konstruisati tačke B i C na pravama p i q tako da je trougao ABC pravilan. 4. Konstruisati kvadrat kome je jedno teme data tačka A a krajnje tačke dijagonale, koja ne sadrži to teme, pripadaju datom krugu k. 5. Neka je ABC trougao neke ravni i α= CAB, β= ABC, γ= BCA, dokazati da je: RC2, γ o R B2,β o R A2,α = E .

7.6 Centralna simetrija Specijalan slučaj rotacije za ugao 180o razmatraćemo kao posebnu vrstu izometrija: Definicija. Centralna rotacija RO,ω ravni za ugao ω=180o naziva se centralna simetrija sa centrom O, u oznaci SO. Dakle SO = RO,180o . X'

Sp(X)

q

X'

O

p

O X

X

Sq(X)

Kako je po definiciji centralna simetrija vrsta rotacije, za nju važe sva opšta svojstva rotacije dokazana u prethodnom odeljku. Sada ćemo istaći neka specifična svojstva Φ centralne simetrije. Najpre na osnovu teoreme 3, iz prethodnog odeljka važi: za S tačku X≠O je SO(X)=X' akko je O središte Φ' duži XX'. Zatim, centralna simetrija SO se može predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije čije su ose međusobno upravne. Prema teoremi 8, poglavlja 7.2, te osne refleksije komutiraju, tj. SO=Sq°Sp=Sp°Sq, gde je p⊥q i p∩q=O. Posledica toga je sledeće tvrđenje:


149

Teorema 1. Centralna simetrija ravni je involucija.

Prethodno tvrđenje je i intuitivno jasno jer je rotacija za ugao 180o isto što i rotacija za ugao -180o. Teorema 2. Kompozicija tri centralne simetrije ravni predstavlja centralnu simetriju. U slučaju da su centri tih simetrija nekolinearne tačke, centar dobijene simetrije je četvrto teme paralelograma. Dokaz: Neka su SA, SB, SC tri osne refleksije sa centrima A, B, C. Označimo sa p pravu AB; sa a, b, c redom prave koje sadrže tačke A, B, C i normalne su na pravoj p, i sa c' pravu koja je u tački C normalna na pravoj c. Tada je: SC°SB°SA=Sc'°Sc°Sb°Sp°Sp°Sa =Sc'°Sc°Sb°Sa.

A

d

c

D

C

p

B a

c’

b

Ose a, b, c su u istom pramenu paralelnih pravih Xa, jer su sve normalne ne pravoj p. Dakle, kompozicija Sc°Sb°Sa predstavlja osnu refleksiju Sd čija osa d pripada tom pramenu. Tada su prave c', d normalne pa je: SC°SB°SA =Sc'°Sd =SD , gde je D=d∩c'. Pri tome, paralelne prave a i c i paralelne prave b i d imaju zajedničku osu simetrije pa je, u slučaju da su tačke A, B, C nekolinearne, četvorougao ABCD paralelogram. q Definicija. Tačka S je centar simetrije figure Φ ako je SS(Φ)=Φ. Ako neka figura ima centar simetrije kaže se da je ona centralnosimetrična.

S Φ

150


Primer. Neka su P, Q, R tri nekolinearne tačke. Konstruisati trougao ABC, takav da su trouglovi ARB, BPC, CQA pravilni i jednako orijentisani. Rešenje: Ako su P, Q, R tačke koje ispunjavaju uslove zadatka, tada je: R R R,60o o R P,60o o RQ,60o (A) = A .

Ali ta kompozicija predstavlja centralnu simetriju (60o+60o+60o=180o) čija je tačka A fiksna, pa je: R R,60o o R P,60o o RQ,60o = SA . Teme A možemo sada konstruisati kao središte duži XX', gde je X' slika proizvoljne tačke X u toj kompoziciji. q

Q A

B

C

P

Zadaci 1. Dokazati da kompozicija osne refleksije i centralne simetrije, čiji centar pripada osi te refleksije, predstavlja osnu refleksiju. 2. Neka je T izometrija i SO centralna simetrija neke ravni. Ako je T(O)=O', dokazati da je: T°SO°T -1 =SO' . 3. Neka je A jedna od presečnih tačaka krugova k i l. Konstruisati pravu koja sadrži tačku A i krugove k i l seče u tačkama B i C takvim da je BA≅AC. 4. Dokazati da tačke simetrične ortocentru trougla, u odnosu na središta njegovih ivica, pripadaju krugu opisanom oko tog trougla. 5. Neka su O, P, Q tri nekolinearne tačke neke ravni. Konstruisati kvadrat ABCD u toj ravni, čiji je centar tačka O i takav da tačke P i Q pripadaju pravama AB i CD. 6. Ako neka figura ravni ima tačno dve ose simetrije tada je ona i centralno-simetrična.


151

7.7 Translacija Dokazali smo da se sve direktne izometrije mogu predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije. Razmotrili smo slučajeve kada se ose tih refleksija poklapaju i kad se seku. Ostaje nam još mogućnost da su ose paralelne i različite: Definicija. Neka su p i q dve razne paralelne prave neke ravni i P, Q tačke tih pravih redom, takve da je PQ⊥p. Kompozicija Sq°Sp naziva se r translacija te ravni za vektor v = 2 PQ , u oznaci τ vr . p

q

P

p

q

Q

X

X1 Y1

r v

Y

Φ

X

Φ'

r v

Y’

Jasno je da je translacija direktna izometrija, kao kompozicija dve osne refleksije. Na osnovu teoreme 9, iz odeljka 7.2, translacija nema fiksnih tačaka. Kao kod ranije uvedenih izometrija i ovde ćemo dokazati da translacija odgovara našoj ranijoj predstavi, tj: r Teorema 1. Neka je τ vr =Sq°Sp translacija neke ravni za vektor v = 2 PQ (P∈p, Q∈q, PQ⊥p) i X proizvoljna tačka te ravni. Tada: r τ vr (X)=X' ⇔ XX ' = v . Dokaz: ⇒. Neka je Sp(X)=X1. Kako je Sq°Sp(X)=X', mora biti Sq(X1)=X'. Prave p i q su po definiciji paralelne, pa su to i prave XX1 i X1X'. Odatle sledi da su tačke X, X1, X' kolinearne. Razmotrićemo samo slučaj kad je B(X,X1,X'). Neka prava XX' seče prave p i q u tačkama K i L. Tada je četvorougao PQLK pravougaonik.

q

p

r v P

X

Q K

L X1

X

152


Takođe je zbog osobina osne refleksije XK≅KX1 i X1L≅LX', pa je r XX ' = 2 KL = 2 PQ = v . r ⇐. Neka je XX ' = v i τ vr (X)=X", tada je na osnovu prethodno dokazanog r XX ' ' = v . Dakle XX ' ' = XX ' , pa je τ vr (X)=X"=X'. q Na osnovu toga važi: r Teorema 2. Translacija τ vr je jednoznačno određena svojim vektorom v , i može se predstaviti kao kompozicija proizvoljne osne refleksije čije su ose dve paralelne prave p i q, takve da za r neke dve tačke P∈p, Q∈q, PQ⊥p, važi: 2 PQ = v .

Analogno teoremama iz prethodnih glava, dokažimo teoremu o klasifikaciji izometrija koja se odnosi na translaciju. Teorema 3. Direktna izometrija ravni bez fiksnih tačaka je translacija. Dokaz: Svaka direktna izometrija može se predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije. Ta kompozicija nema fiksnih tačaka jedino u slučaju kad su ose paralelne i različite (teorema 9, odeljak 7.2), pa na osnovu definicije predstavlja translaciju. q

Sada ćemo dokazati da se translacija može predstaviti kao kompozicija centralnih simetrija, što će kasnije biti od velikog značaja. r Teorema 4. Neka je τ vr translacija ravni za vektor v = 2 PQ . Tada je: τ vr = SQ°SP. Dokaz: Neka su p i q prave normalne na pravoj PQ u tačkama P i Q. Tada je: SQ°SP = Sq°SPQ°SPQ°Sp =Sq°Sp = τ vr . q q

p X

X Q

P SP(X)


153

Intuitivno je jasno, da je inverzna transformacija translacije takođe translacija za suprotan vektor; kao i da je kompozicija dve translacije translacija za zbirni vektor. Formulišimo ta tvrđenja: r r Teorema 5.* Neka su τ vr , τ ur , translacije iste ravni za vektore v i u . Tada: (i) τ vr -1 = τ − vr ; (ii) τ ur ° τ vr = τ vr + ur ; (iii) τ ur ° τ vr = τ vr ° τ ur . Primer. Neka su M i N zajedničke tačke dva podudarna kruga k i l poluprečnika r. Ako su P i Q presečne tačke ta dva kruga sa pravom određenom centrima tih krugova, takve da je P,Q MN, dokazati da je tada MN 2 + PQ2 = 4r2 . Rešenje: Neka su O i S centri tih M r M’ krugova i OS = v . Tada translacija τ vr preslikava krug k u krug l i tačku P Q M u neku tačku M'. Kako tačka M O S pripada krugu k, njena slika, M' k l pripada krugu l. Iz istih razloga je N r τ v (P)=Q. Dalje je r MM ' = v = OS = PQ , pa su prave MM' i OS paralelne i MM'≅OS≅PQ. Kako je prava MN upravna na pravu OS, mora biti upravna i na MM'. Dakle, ugao NMM' je prav pa je NM' prečnik kruga l. Primenjujući Pitagorinu teoremu (koju ćemo dokazati u glavi VIII, a sa kojom je čitalac od ranije upoznat), možemo izvesti: MN 2 + PQ2 = MN 2 + MM'2 = NM'2 = 4r2 .

Zadaci r 1. Neka je T izometrija i τ vr translacija neke ravni za vektor v =AB. Tada: r T°τ vr °T -1=ττ ur , gde je u = A' B ' i A'=T(A), B'=T(B).

2. Ispitati šta predstavlja kompozicija translacije i centralne simetrije neke ravni.

154


3. Neka su A, B dve tačke i k, l dva kruga neke ravni. Konstruisati tačke C∈k i D∈l takve da je četvorougao ABCD paralelogram. 4. Neka je p prava i k, l krugovi neke ravni. Konstruisati pravu paralelnu pravoj p koja seče te krugove u tačkama koje određuju podudarne tetive. 5. Neka su a i b dve paralelne prave, c prava koja ih seče i l duž neke ravni. Konstruisati pravilan trougao ABC čija su temena redom na datim pravama i čija je ivica podudarna datoj duži l.

7.8 Klizajuća refleksija U prethodnim odeljcima ispitali smo sve vrste izometrija ravni koje se mogu predstaviti kao kompozicija dve osne refleksije. Kako se svaka izometrija ravni može predstaviti kao kompozicija ne više od tri osne refleksije, ostaje nam da ispitamo šta predstavlja kompozicija tri osne refleksije. Dokazali smo da je ta kompozicija takođe osna refleksija akko ose tih refleksija pripadaju jednom pramenu. U svim ostalim slučajevima, što ćemo kasnije utvrditi, ta kompozicija predstavlja sledeću vrstu izometrija: r Definicija. Neka je translacija τ vr za vektor v = 2 PQ i SPQ osna refleksija sa osom PQ. Kompozicija τ vr °SPQ naziva se klizajuća refleksija ravni u oznaci G 2 PQ sa osom PQ i za vektor 2 PQ . X

X2 P

Φ

Q

r v X1

X p

Φ'

q

Na osnovu definicije je jasno da je klizajuća refleksija određena svojom osom i vektorom. Takođe, osna refleksija i translacija u kompoziciji, koje generišu tu klizajuću refleksiju komutiraju. Zaista:


155

G 2 PQ = τ vr °SPQ = Sq°Sp°SPQ = SPQ°Sq°Sp = SPQ°τ vr ;

gde su p i q prave upravne na pravoj PQ u tačkama P i Q, pa zbog toga odgovarajuće osne refleksije komutiraju. Iz tih relacija zaključujemo da se klizajuća refleksija može predstaviti kao kompozicija tri osne refleksije pri čemu je osa jedne upravna na ose druge dve. Dalje klizajuća refleksija je indirektna izometrija kao kompozicija jedne indirektne i jedne direktne izometrije (ili kao kompozicija tri osne refleksije). Teorema 1. Klizajuća refleksija nema fiksnih tačaka. Dokaz: Već smo zaključili da se klizajuća refleksija može predstaviti kao kompozicija tri osne refleksije od kojih je osa jedne upravna na ose druge dve refleksije. Ako bi ta kompozicija imala fiksnu tačku, ona bi kao indirektna izometrija predstavljala osnu refleksiju. Tada bi pomenute tri ose bile iz istog pramena (teorema 1, odeljak 7.4), pa dolazimo do kontradikcije. Dakle, klizajuća refleksija nema fiksnih tačaka. q

Dokažimo dva tvrđenja značajna za klasifikaciju izometrija: Teorema 2. Neka su p, q, r tri prave neke ravni koje ne pripadaju istom pramenu. Tada kompozicija Sr°Sq°Sp predstavlja klizajuću refleksiju te ravni. Dokaz: Prava q seče ili pravu p ili pravu r, jer bi inače sve tri prave b r A pripadale jednom pramenu paralelnih pravih. Ne umanjujući opštost neka je q∩r=A. Prave p, q, r nisu iz istog C s q pramena pa A∉p. Neka je s prava koja t sadrži tačku A i upravna je na pravoj p p B u tački B (B≠A). Tada prave s, q, r pripadaju istom pramenu XA, pa je Sr°Sq°Ss=St , gde t∈XA. Odatle sledi Sr°Sq=St°Ss, odnosno: Sr°Sq°Sp=St°Ss°Sp=St°SB. Označimo sa C podnožje upravne iz tačke B na pravoj t (B≠C, jer bi se u suprotnom prave s i t a onda i prave r i q poklapale), i sa b pravu koja je u tački B upravna na pravoj BC. Tada je:

156


Sr°Sq°Sp =St°SB =St°Sb°SBC = τ 2 BC °SBC = G 2 BC . q

Teorema 3. Svaka indirektna izometrija ravni bez fiksnih tačaka predstavlja klizajuću refleksiju te ravni. Dokaz: Na osnovu teoreme o predstavljanju izometrije, svaka indirektna izometrija je ili osna refleksija ili se može predstaviti kao kompozicija tri osne refleksije. Ako su te tri ose iz istog pramena izometrija opet predstavlja osnu refleksiju. U našem slučaju, kako izometrija nema fiksnih tačaka, ona ne može biti osna refleksija pa predstavlja kompoziciju tri osne refleksije čije ose nisu iz istog pramena. Na osnovu prethodne teoreme ta kompozicija je klizajuća refleksija. q

Zadaci 1. Dokazati da kompozicija rotacije i osne refleksije neke ravni predstavlja klizajuću refleksiju ako i samo ako centar te rotacije ne pripada osi refleksije. 2. Neka je ABC pravilan trougao. Dokazati da kompozicija SAB°SCA°SBC predstavlja klizajuću refleksiju i odrediti njen vektor i osu. 3. Neka je p prava, A, B tačke sa iste strane te prave i l duž neke ravni. Konstruisati tačke X i Y na toj pravoj tako da je XY≅l i zbir AX+XY+YB minimalan. 4. Neka je ABC jednakokrako-pravougli trougao sa pravim uglom kod temena A. Šta predstavlja kompozicija: G AB = G CA ?


157

7.9 Klasifikacija izometrija ravni U prethodnim odeljcima smo praktično već izvršili klasifikaciju izometrija ravni. Dokazali smo da je svaka direktna izometrija koincidencija, rotacija odnosno translacija u zavisnosti da li ima bar dve, tačno jednu, odnosno nema fiksnih tačaka. Takođe, indirektna izometrija je osna, odnosno klizajuća refleksija u zavisnosti da li ima bar jednu, odnosno nema fiksnih tačaka. Na osnovu toga možemo zaključiti da su to jedine vrste izometrija. Time smo dokazali sledeću teoremu: Teorema 1. (Šal33) Neka je T : E 2 → E 2 izometrijska transformacija ravni. Tada ona predstavlja jednu od sledećih izometrija: koincidencija, osna refleksija, rotacija, translacija, klizajuća refleksija. Takođe važi:

(i) ako je T direktna i ima bar dve fiksne tačke ona je koincidencija; (ii) ako je T direktna i ima tačno jednu fiksnu tačku ona je rotacija (spec. centralna simetrija); (iii) ako je T direktna i nema fiksnih tačaka ona je translacija; (iv) ako je T indirektna i ima bar jednu fiksnu tačku ona je osna refleksija; (v) ako je T indirektna i nema fiksnih tačaka ona je klizajuća refleksija. Osim toga, utvrdili smo u svakom od slučajeva kako se odgovarajuća izometrija može predstaviti kao kompozicija osnih refleksija. Sve te činjenice vezane za klasifikaciju izometrija možemo ilustrovati sledećom tabelom:

33

M. Šal (1793-1880), francuski geometričar, izveo je ovu klasifikaciju 1831. g.

158


Izometrijske transformacije ravni T : E 2 → E 2 direktne izometrije

indirektne izometrije

broj fiksnih tačaka

bar dve

tačno jedna

nijedna

bar jedna

nijedna

vrsta izometrije

koincidencija E

centralna rotacija RS,ω (spec. centr. simetrija SS)

translacija τ vr

osna refleksija Sp

klizajuća refleksija

predstavljanje izometrije osnim refleksijama

p=q

p p

E=Sp°Sp

q RS,ω=Sq°Sp

G 2 PQ p

q

q

p r

τ vr =Sq°Sp

Sp

G 2 PQ =Sr°Sq°Sp

Zadaci 1. Neka su a, b, c tri prave neke ravni. Konstruisati tačke A∈a i B∈b takve da je Sc(A)=B. 2. Neka su p i q dve prave i A tačka neke ravni. Konstruisati tačke B i C, takve da prave p i q sadrže bisektrise unutrašnjih uglova kod temena B i C trougla ABC. 3. Neka su p, q, r tri prave i K i L dve tačke neke ravni. Konstruisati prave s i s' koje sadrže redom tačke K i L, takve da je Sr°Sq°Sp(s)=s'. 4. Neka su A i B dve tačke sa raznih strana prave p. Odrediti tačku X na pravoj p takvu da je razlika duži AX i XB maksimalna. 5. Neka prava s sadrži bisektrisu jednog od uglova koji određuju prave p i q. Dokazati da je tada: Ss°Sp = Sq°Ss .


159

6. Neka je S centar upisanog kruga trougla ABC i P dodirna tačka tog kruga sa ivicom BC. Dokazati da je tada: SSC°SSA°SSB =SSP. 7. Neka su p, q, r prave neke ravni koje se seku u centru S kruga k. Konstruisati trougao ABC opisan oko tog kruga, tako da prave p, q, r sadrže bisektrise unutrašnjih uglova kod temena A, B, C tog trougla. 8. Prave p, q, r, s, t neke ravni seku se u tački O a M je tačka prave p. Konstruisati petougao takav da je M središte jedne njegove ivice, a prave p, q, r, s, t medijatrise ivica. 9. Neka je ABCDE petougao sa pravim uglom kod temena A i neka se medijatrise ivica AE, BC, CD (prave p, q, r) seku u tački O, a medijatrise ivica AB i DE (prave x i y) seku u tački S. Dokazati da jedno teme trougla KLM kome su p, q, r medijatrise ivica, pripada pravoj OS. 10. Tačka P pripada ravni trougla ABC. Dokazati da prave simetrične pravama AP, BP, CP u odnosu na simetrale unutrašnjih uglova kod temena A, B, C tog trougla redom, pripadaju jednom pramenu. 11. Odrediti ugao između pravih p i q neke ravni ako je: Sp°Sq°Sp = Sq°Sp°Sq. 12. Neka je ABCD pravougaonik kod koga je AB=3BC i E, F tačke ivice AB takve da je AE≅EF≅FB. Dokazati da je: o ∠AED+∠AFD+∠ABD=90 . 13. Koliko osa simetrija ima: pravilan trougao; kvadrat; deltoid; krug. 14. Neka su p i q prave i A tačka van njih neke ravni. Konstruisati tačke B i C na pravama p i q redom, tako da obim trougla ABC bude minimalan. 15. U dati trougao ABC upisati trougao najmanjeg obima (Fagnanov problem34). 16. Ako su RA,α i RB,β dve rotacije neke ravni odrediti sve tačke X te ravni za koje je RA,α(X)=RB,β(X).

34

D. F. T. Fagnan je postavio ovaj problem 1775. g., i rešio ga metodama diferencijalnog računa. Elementarno rešenje ovog problema dao je tek kasnije mađarski matematičar L. Fejer (1880-1959).

160


17. Prave p i q seku se u centru O pravilnog trougla ABC i određuju ugao od 60o. Dokazati da su odsečci na tim pravama, određeni ivicama trougla ABC, međusobno podudarni. 18. Ako je S centar pravilnog petougla ABCDE, dokazati da važi: r SA + SB + SC + CD + SE = 0 . 19. Dokazati da se dijagonale pravilnog petougla seku u tačkama koje su takođe temena pravilnog petougla. 20. Neka su ABP i BCQ dva pravilna trougla iste orijentacije, pri čemu je B(A,B,C). Ako su K i L središta duži AQ i PC, dokazati da je trougao BLK takođe pravilan. 21. Konstruisati pravilan trougao čija temena pripadaju redom trima datim koncentričnim krugovima a jedna ivica paralelna datoj pravoj. 22. Ako se prava p rotacijom za ugao ω preslikava u pravu p', dokazati da je jedan od uglova koji određuju prave p i p' jednak ω. 23. Neka su P i Q tačke van kruga k i d duž neke ravni. Konstruisati tačke X i Y na krugu k, takve da je XP||YQ i XY≅d. 24. Tačka P je unutrašnja tačka pravilnog trougla ABC, takva da je o o ∠APB=113 i ∠BPC=123 . Izračunati mere uglova trougla čije su ivice podudarne dužima PA, PB, PC. 25. Date su nekolinearne tačke P, Q, R. Konstruisati trougao ABC, tako da P, Q, R budu središta kvadrata konstruisana nad ivicama BC, CA, AB tog trougla. 26. Neka su A, B dve tačke i p prava neke ravni. Dokazati da je kompozicija SB°Sp°SA osna refleksija ako i samo ako je AB⊥p. 27. Neka su p, q, r tangente kruga upisanog u trougao ABC paralelne redom njegovim ivicama BC, AC, AB ali koje ih ne sadrže. Dokazati da prave p, q, r, BC, AC, AB određuju šestougao čije su naspramne ivice među sobom podudarne. 28. Konstruisati trougao ABC ako je dat ugao α i težišne duži tb, tc. 29. Neka su BALK i ACPQ kvadrati spolja konstruisani nad ivicama AB i AC trougla ABC. Ako je tačka Z središte duži PK, dokazati da je trougao BZC jednakokrako-pravougli.


161

30. Neka su A1, B1, C1 centri kvadrata spolja konstruisanih nad ivicama BC, AC, AB trougla ABC i tačka P središte ivice AC dokazati: (i) trougao C1PA1 je jednakokrako-pravougli; (ii) duži A1B1 i C1C su upravne i podudarne; (iii) duži AA1, BB1, CC1 seku se u jednoj tački35. 31. Neka su ALKB, ACPQ kvadrati spolja konstruisani nad ivicama AB i AC trougla ABC i X središte ivice BC. Dokazati da je: (i) AX⊥LQ; (ii) AX=½ QL. 32. Ispitati šta predstavlja kompozicija dve rotacije neke ravni pri čemu je zbir uglova tih rotacija jednak 360o. 33. Neka su P, Q, R centri pravilnih trouglova spolja konstruisanih nad ivicama proizvoljnog trougla ABC. Dokazati da je trougao PQR pravilan (tzv. Napoleonov trougao36). 34. Neka je O centar pravilnog trougla ABC i D i E tačke ivica CA i CB takve da je CD≅CE i F četvrto teme paralelograma BODF. Dokazati da je trougao OEF pravilan. 35. Neka je L dodirna tačka kruga upisanog u trougao ABC sa ivicom BC. Ako je α= BAC, β= CBA, γ= ACB, dokazati: RC,γ°RA,α°RB,β =SL. 36. Ako su P, Q i M, N centri kvadrata spolja konstruisanim nad naspramnim ivicama proizvoljnog četvorougla, dokazati da je PQ⊥MN i PQ≅MN. 37. Neka su APB i ACQ pravilni trouglovi spolja konstruisani nad ivicama AB i AC trougla ABC. Ako je S središte ivice BC i O centar trougla ACQ, dokazati da je OP=2OS. 38. Dokazati da je kompozicija neparnog broja centralnih simetrija, centralna simetrija.

35

Drugo od tri planimetrijska tvrđenja koje je, na kongresu u Milanu 1844. g., objavio italijanski matematičar Đ. Belati. 36 Ovo tvrđenje pripisano je Napoleonu Bonaparti (1769-1821), francuskom caru i vojskovođi, koji je imao interesovanja za elementarnu geometriju, iako je pitanje da li je njegovo znanje bilo dovoljno da bi isto tvrđenje dokazao.

162


39. Neka su P, Q, R, S, T tačke jedne ravni. Konstruisati petougao ABCDE takav da su središta njegovih ivica AB, BC, CD, DE, EA redom tačke P, Q, R, S, T. 40. Odrediti skup svih izometrija, a zatim skup svih direktnih izometrija, koje pravilan n-tougao preslikavaju u sebe samog (prvi skup određuje tzv. diedarsku grupu Dn a drugi Cikličnu grupu Cn). 41. Odrediti grupu simetrija pravougaonika (grupa simetrija neke figure određena je skupom svih izometrija koje tu figuru preslikavaju u sebe). 42. Dokazati da osna refleksija i translacija neke ravni komutiraju ako i samo ako je osa te refleksije paralelna sa vektorom translacije. 43. Neka su k i l dva kruga, p prava i d duž neke ravni. Konstruisati romb ABCD ivice podudarne datoj duži d čija ivica AB pripada pravoj p, a tačke C i D krugovima k i l. 44. Neka su A, B tačke sa iste strane prave p i d duž neke ravni. Konstruisati tačke X i Y na pravoj p takve da je AX≅BY i XY≅d. 45. Neka je H ortocentar trougla ABC i R poluprečnik opisanog kruga tog trougla. Dokazati da je AB2+CH2=4R2. 46. Neka su p i q dve razne paralelne prave neke ravni i A i B tačke te ravni takve da su A i q sa raznih strana prave p, a B i p sa raznih strana prave q. Konstruisati tačke P i Q na pravama p i q takve da je PQ⊥p i zbir AP+PQ+QB minimalan. 47. Neka su AB i CD dve tetive kruga k (A,B CD) i l duž neke ravni. Konstruisati tačku M na krugu k, tako da duži AM i BM seku tetivu CD u tačkama koje određuju duž podudarnu datoj duži l. 48. Neka je EAB trougao konstruisan nad ivicom AB pravougaonika ABCD. Ako su M i N podnožja upravnih iz tačaka C i D na pravama AE i BE, i P presečna tačka pravih CM i DN, dokazati da je PE⊥AB. 49. Konstruisati pravilan trougao ABC, čija temena pripadaju redom trima datim paralelnim pravama a, b, c neke ravni, a centar tog trougla pripada datoj pravoj s koja seče prave a, b, c.


163

50. Dokazati da ograničena figura Φ ravni (za koju postoji duž d takva da za svake dve tačke X,Y∈Φ, važi XY
M. Šal (1793-1880), francuski geometričar; J. T. Hjelmslev (1873-1950) finski pesnik i matematičar. 38 Čuveni italijanski slikar, arhitekta i pronalazač Leonardo da Vinči (1452-1519), proučavao je moguće simetrije centralne građevine i mogući raspored kapela oko nje, tako da se ta simetrija ne naruši. U današnjim terminima taj rezultat iskazujemo kao

164


teoremu Leonarda da Vinčija: Jedine konačne grupe izometrija ravni su ciklična grupa Cn i diedarska grupa Dn. Napomenimo još da grupa simetrija ograničenih figura ne mora biti konačna; npr. grupa simetrija kruga.

Glava VIII

Sličnost

8.1 Razmera duži. Talesova teorema U četvrtoj glavi razmatrali smo količnike kolinearnih vektora. Pri tom smo pomenuli i meru u skupu kolinearnih vektora, odnosno duži na međusobno paralelnim pravcima. Sada ćemo definisati meru duži, na skupu D duži čitavog prostora. Definicija. Neka je D skup svih duži i R+ skup pozitivnih realnih brojeva. Preslikavanje m: D → R+ sa svojstvima: (i) (∃A0B0∈D) m(A0B0)=1, (ii) (∀AB,CD∈D) (AB≅CD ⇒ m(AB)=m(CD) ), (iii) (∀AB,CD,EF∈D) (AB+CD=EF ⇒ m(AB)+m(CD)=m(EF)), naziva se mera ili dužina duži, a M=(D,R+,m) je sistem merenja. Duž A0B0 je jedinica mere ili jedinična duž.

Intuitivno je jasno da postoji beskonačno mnogo sistema merenja, kao i to da je sistem merenja jednoznačno određen sa jediničnom duži. U tom smislu, mera neke duži AB, u određenom sistemu merenja, biće prikazana brojem x, koliko se puta jedinična duž e "sadrži" u duži AB, tj. m(AB)=x; ako taj broj nije prirodan, onda se ostatak "meri" redom sa e e , , L jer meru zapisujemo u dekadnom sistemu39. 10 100 39

Stari Grci su meru, u tom smislu, zamišljali kao uvek racionalan broj, pa su zato ivicu i dijagonalu kvadrata nazivali nesamerljivim veličinama.

165

166

VIII Sličnost

Naredne dve teoreme navodimo bez dokaza: Teorema 1. Za proizvoljne dve duži AB i CD važi: (i) AB
Sada smo u mogućnosti da uvedemo sledeći važan pojam: Definicija. Ako je x=m(AB) i y=m(CD) u nekom sistemu merenja M, AB količnik x:y naziva se razmera duži AB i CD, u oznaci AB:CD ili . CD Naredna teorema je direktna posledica teoreme 2. Teorema 3. Razmera duži ne zavisi od sistema merenja. Definicija. Jednakost dve razmere naziva se proporcija ili srazmera. Duži a, b i c, d tim redom su proporcionalne ili srazmerne ako važi a:b=c:d.

Proporcija figuriše u već navedenoj i dokazanoj Talesovoj teoremi, direktnoj i obratnoj (glava 4). Napomenimo opet da su u takvoj formulaciji Talesove teoreme mere na neparalelnim pravcima mogle biti i različite. Ako prihvatimo zajedničku meru za skup D svih duži, možemo preformulisati Talesovu teoremu, time što ćemo izostaviti vektorske oznake. Naime, tada će za kolinearne vektore AB i CD biti

AB AB , = CD CD

AB A' B' AB A' B' , ali ne važi i obratno. Tako, iz = sledi = CD C ' D' CD C ' D' vektorskog oblika Talesove teoreme (direktne i obratne) zadržavamo samo direktni smer.

pa iz

Teorema 3. (Talesova teorema) Ako se prave a i b seku u tački O i prave p1 i p2 seku pravu a u tačkama A1 i A2, odnosno pravu b u tačkama B1 i B2, tada važi:

VIII Sličnost

167

p1||p2 ⇒

p1

OA1 OB1 AB = = 1 1. OA2 OB2 A2B2 A2

p2

a

A1 O B1

b

B2

Navedimo neke neposredne posledice Talesove teoreme: Posledica 1. Ako važe sve pretpostavke Talesove teoreme (u istim OA OA2 AA oznakama) tada je: 1 = = 1 2. OB1 OB2 B1B2

Prethodna posledica ne može se iskazati u vektorskom obliku, jer vektori OA1 i OB1 nisu kolinearni. Napomenimo još, da razmere iz prethodne posledice nisu u opštem AB slučaju jednake razmeri 1 1 . A2B2 Posledica 2. Ako paralelne prave p1, p2, p3 seku pravu a u tačkama A1, A2, AA BB A3 i pravu b u tačkama B1, B2, B3, tada je 1 2 = 1 2 i A2A3 B2B3 A1A2 A2A3 = . B1B2 B2B3 a

A3

a

xn

x2 A2 A1

x2

x1

x1 y2

y1 B1

B2 x1:x2=y1: x1:y1=x2: y

B3

b

y1

y2

...

x1:y1=x2:y2=...=xn: x1:x2: ... :xn = y1:y2: ... :yn

yn

b

168

VIII Sličnost

Posledica 3. Ako paralelne prave p1, p2,..., pn seku pravu a u tačkama A1,A2,...,An i pravu b u tačkama B1,B2,...,Bn, tada je: A1A2 AA A A = 2 3 =L = n−1 n i B1B2 B2B3 Bn−1Bn A1A2 : A2A3: L : An−1An = B1B2 : B2B3: L : Bn−1Bn .

Posledica 4. Ako se prave p1, p2, p3 seku u tački O i paralelne prave a i b seku p1 u A1 i B1, p2 u A2 i B2, p3 u A3 i B3 tada važi: A1A2 AA A1A2 BB = 2 3 i = 1 2. B1B2 B2B3 A2A3 B2B3 O

A1

x1

O

A2

x2

y1 B1

A3 y2

B2 x1:y1=x2: xy1:x2=y1:

x1 x2

a B3

b

y1

y2

a

xn

...

yn

b

x1:y1=x2:y2=...=xn: x1:x2: ... :xn = y1:y2: ... :yn

Posledica 5. Ako su p1, p2, ..., pn prave pramena XO, koje seku paralelne prave a i b redom u tačkama A1 i B1, A2 i B2, ..., An i Bn, tada važi: A1A2 AA A A = 2 3 = L = n−1 n i B1B2 B2B3 Bn−1Bn A1A2 : A2A3: L : An−1An = B1B2 : B2B3: L : Bn−1Bn .

Posledica 6. Ako su a, b, c prave pramena XO , p1 i p2 paralelne prave koje seku prave b i c u tačkama B1, C1 odnosno B2 i C2, a q1 i q2 paralelne prave koje seku prave a i c u tačkama A1, C1 odnosno A2 i C2 , tada je A1B1||A2B2.

VIII Sličnost

169

a

A2 A1 B1

O

B2 p1

b

q1

p2

q2

C C

c

Prethodna posledica može se uopštiti i za slučaj n-touglova A1A2...An i A'1A'2...A'n. Dokazi posledica 1-5 su neposredni. U dokazu posledice 6, koristi se obratna Talesova teorema. Teorema 4. Ako su A i B dve razne tačke prave p i λ≠-1 realan broj, tada AL postoji jedinstvena tačka L prave p za koju je =λ. LB A1 λ

B2

1 A

L1

1

B

L2

B1

Dokaz: U slučaju λ=0, dokaz je neposredan. Neka je λ>0. Jasno je da za traženu tačku L mora biti B(A,L,B). Konstruišimo dve proizvoljne paralelne prave a i b koje sadrže tačke A i B i na njima, u raznim poluravnima sa rubom AB, tačke A1 i B1 takve da je m(AA1)=λ i m(BB1)=1. Sa L1 označimo presečnu tačku pravih AB i A1B1. Na osnovu Talesove teoreme je: AL1 AA1 = = λ , odnosno m(AL1)=kλ i m(L1B) =k, za neko k>0. L1B B1B Dokaz da je da je tačka L1 jedinstvena ovde izostavljamo.* q Na osnovu prethodne teoreme možemo zaključiti da za λ>1 i λ≠1 AL = λ . (U slučaju λ=1 to je postoje tačno dve tačke L takve da je LB

170

VIII Sličnost

središte duži.) Takođe, ako je poznata jedna od te dve tačke, moguće je konstruisati drugu. AL =λ. LB Ta podela je unutrašnja ako je λ>0 (tada je tačka L unutar duži AB), odnosno spoljašnja ako je λ<0 (tada je tačka L van duži AB). U oba slučaja koristi se oznaka λ=R(A,B;L).

Definicija. Tačka L deli duž AB u odnosu (razmeri) λ≠-1 ako je

Ako su L1 i L2 tačke definisane u dokazu teoreme 4, možemo AL AL zaključiti da je tada: R(A,B;L1):R(A,B;L2)= 1 : 2 = −1 . Sada je L1B L2 B prirodno uvesti sledeće pojmove: Dvorazmera ili složena razmera u oznaci R(A,B;C,D) je količnik dve AC AD : . CB DB Ako je R(A,B;C,D)=-1, dvorazmera se naziva harmonijska. U tom slučaju kažemo da tačke A,B,C,D čine harmonijsku četvorku ili da je par tačaka A,B harmonijski spregnut sa parom tačaka C,D, u oznaci H(A,B;C,D). Dakle za četiri razne kolinearne tačke A,B,C,D je H(A,B;C,D) akko je

odgovarajuće razmere tj. R(A,B;C,D)=R(A,B;C):R(A,B;D)=

AC AD : = −1 . Uvedimo još jedan pojam koji ćemo koristiti kasnije. CB DB Definicija. Neka su S, A, B kolinearne tačke. Izraz SA ⋅ SB jednak je SA·SB (proizvod dužina) odnosno -SA·SB u zavisnosti da li nije ili jeste B(A,S,B). Primer. Dokazati da neparalelne ivice i dijagonale trapeza određuju na pravoj koja je paralelna osnovicama tri duži, od kojih su krajnje dve podudarne. Konstruisati takvu paralelu uz dodatni uslov da tri pomenute duži budu podudarne.

VIII Sličnost

171

Rešenje: Neka prava l, paralelna D C osnovici AB trapeza ABCD, seče ivice AD,BC i dijagonale AC,BD Q M0 N P0 l0 redom u tačkama M,Q,N,P. Na osnovu Talesove teoreme je M Q l N P MN:DC=MA:DA, odnosno PQ:DC=BQ:BC. Kako je prema A B E posledici 2, MA:AD=BQ:BC, mora biti i MN:DC=PQ:DC tj. MN=PQ. Ako je E središte osnovice AB i N0 presečna tačka pravih DE i AC traženu pravu l0 možemo konstruisati kao pravu koja sadrži tačku N0 i paralelna je sa pravom AB. Zaista, ako su M0, P0, Q0 preseci prave l0 sa pravama AD, BD, CB, tada je M0N0≅N0P0, na osnovu četvrte posledice Talesove teoreme.

Zadaci 1. Datu duž AB podeliti na: (i) pet podudarnih duži; (ii) delove koji su u odnosu 2:3; 1 (iii) delove koji su u odnosu 2: :1. 2 2. Date su tri duži a, b, c. Konstruisati duž x ako važi: a2 (i) a:b=c:x; (ii) x= ; (iii) (x+c):(x-c)=7:2. b 3. Neka su M i N dve tačke na kraku OX i P tačka na kraku OY ugla XOY. Ako je NQ||MP i PN||QS (Q∈OY, S∈OX), dokazati da je ON2=OM·OS (takva duž ON naziva se geometrijska sredina duži OM i OS). 4. Neka su a, b, c tri poluprave sa zajedničkom početnom tačkom S i M tačka na polupravoj a. Ako se tačka M “kreće” po polupravoj a, dokazati da je odnos rastojanja ove tačke od pravih b i c stalan. Da li tvrđenje važi i ako su poluprave: (i) nekomplanarne; (ii) nekonkurentne.

172

VIII Sličnost

5. Neka su F i G tačke u kojima prava koja sadrži tačku D, ivice BC trougla ABC, i paralelna je težišnoj duži AA1, seče prave AB i AC. Dokazati da zbir DF+DG ostaje stalan ako se tačka D “kreće” po ivici BC.

8.2 Homotetija Definicija. Neka je O tačka i k realan broj različit od nule. Transformacija kojom se proizvoljna tačka X preslikava u tačku X' takvu da je OX ' = k OX , naziva se homotetija ili perspektivna sličnost, u oznaci HO,k sa centrom O i koeficijentom k. Dve figure su homotetične ako postoji homotetija koja jednu figuru preslikava u drugu.

Neposredno sleduju prva svojstva ove nove geometrijske transformacije. Najpre, lako se dokazuje da je homotetija bijekcija i da je jednoznačno određena svojim centrom i koeficijentom. Dokazi naredne dve teoreme su takođe jednostavni i prepuštamo ih čitaocu. O O

X

X

Teorema 1. HO,1=E , HO,-1=SO. Teorema 2. Ako je k≠1, jedina fiksna tačka homotetije HO,k je njen centar. Teorema 3. Za duž AB i njenu sliku A'B' pri homotetiji HO,k važi: A' B' = k AB .

VIII Sličnost

173

Dokaz: Iz OA' = k OA i OB' = k OB , oduzimanjem prve jednakosti od druge dobijamo OB' − OA' = k OB − k OA , odatle je na osnovu Talesove teoreme A' B ' = k (OB − OA) , tj. A' B' = k AB .

A

O

A

B B

q Teorema 4. (i) Homotetija svaku pravu preslikava u njoj paralelnu pravu. (ii) Svake dve paralelne prave su homotetične. (iii) Jedine invarijantne prave homotetije HO,k (za k≠1) su one koje sadrže centar homotetije. Dokaz: (i) je direktna posledica prethodne teoreme. (ii), (iii) prepuštamo čitaocu. q Teorema 5. Homotetična slika ugla je ugao, i to njemu podudaran ugao. Dokaz: Posledica prethodne teoreme i teoreme o uglovima sa paralelnim kracima. q

Narednu teoremu dajemo bez dokaza. Teorema 6. Homotetija HO,k u ravni je direktna transformacija

Napomenimo da se ovde pojam direktne i indirektne transformacije može uvesti kao kod izometrija. Teorema 7.* Homotetija preslikava krug u krug, i obratno svaka dva kruga su homotetična. M M’ A

A

l1

l2

O l'

S1

O

S2

O

l

Lako se dokazuje da zajedničke tangente krugova iz prethodne teoreme sadrže centre pomenutih homotetija.

174

VIII Sličnost

Primer 1. Neka su S, A dve tačke ravni. Konstruisati HS,k(A) ako je 2 1 k jednako: (i) 3; (ii) ; (iii) -2; (iv) − . 4 5 S HS,1/4(A HS,-2(A)

S

A

A

HS,3(A) HS,-

S

HS,2/5(A

A

Rešenje: Slučajevi (i) i (iii) su jednostavni. U slučajevima (ii), (iv) konstrukciju izvodimo koristeći Talesovu teoremu. q Primer 2. Konstruisati sliku petougla ABCDE u homotetiji HS,k. S C D C

B A

E

D ’

B

E

A ’

Rešenje: Najpre konstruišemo A', sliku tačke A, na isti način kao u prethodnom primeru. Zatim koristeći teoremu 4, konstruišemo slike preostalih temena. Npr. B'=SB∩l, gde je l prava koja sadrži tačku A' i paralelna je pravoj AB. q Teorema 8.* Neka su HO,k, HO,k' dve homotetije sa istim centrom. Tada je: (i) HO,k' ° HO,k = HO,kk' . (ii) (HO,k)-1 = HO,1/k. (iii) HO,k' ° HO,k = HO,k° HO,k' .

VIII Sličnost

175

U prethodnoj teoremi dokazali smo zapravo da sve homotetije sa istim centrom čine komutativnu grupu u odnosu na slaganje preslikavanja. Primer 3. Dokazati da je poluprečnik Ojlerovog kruga trougla jednak polovini poluprečnika opisanog kruga tog trougla, i da je njegov centar središte duži čije su krajnje tačke ortocentar i centar opisanog kruga tog trougla40. Rešenje: Neka je T težište A trougla ABC i AA1, BB1, CC1 njegove težišne duži. Ojlerov krug opisan je oko trougla B1 C O T O A1B1C1 (primer 2, odeljak 3.8). H 1 Ako je k= − , homotetijom HT,k 2 C B A1 se trougao ABC preslikava u trougao A1B1C1. Dakle, tom homotetijom se krug opisan oko trougla ABC preslikava u Ojlerov krug, pa je poluprečnik Ojlerovog dva puta manji od poluprečnika prvog kruga. Centar Ojlerovog kruga je tačka O1 = HT,k(O), za koju je dakle O1T:TO=1:2. Na osnovu primera iz odeljka 4.4 (Ojlerova prava), je HT:TO=2:1. Na osnovu prethodne dve relacije izvodimo krajnji zaključak. q

Zadaci 1. Neka je S tačka van pravih p i q i m, n duži neke ravni. Konstruisati pravu s koja sadrži tačku S i seče prave p i q u tačkama P i Q takvim da je SP:SQ=m:n. 2. Neka su p, q, r tri konkurentne prave, S tačka van njih i m, n duži neke ravni. Konstruisati pravu s koja sadrži tačku S i seče prave p, q, r u tačkama P, Q, R takvim da je PQ:QR=m:n. 3. Konstruisati : 40

Ojlerov krug naziva se u literaturi i Ponseleov krug po francuskom geometričaru Ž. V. Ponseleu (1788-1867), koji je 1821. g. dokazao navedeno tvrđenje.

176

VIII Sličnost

(i) romb, ako je data ivica i odnos dijagonala; (ii) trapez, ako su data dva ugla na jednoj osnovici, odnos osnovice i visine, a druga osnovica podudarna datoj duži. 4. Neka je A tačka u uglu pOq, l prava i α ugao neke ravni. Konstruisati trougao APQ, čija temena P i Q pripadaju kracima p i q, ∠PAQ≅α i PQ||l. 5. Konstruisati krug l koji dodiruje dati krug k i datu pravu p ako je data tačka dodira: (i) l i p; (ii) l i k. 6. Konstruisati krug koji dodiruje krake ugla pOq i: (i) sadrži datu tačku; (ii) dodiruje dati krug.

8.3 Transformacije sličnosti. Sličnost figura Na isti način, kao što su nam izometrijske transformacije bile potrebne za uvođenje podudarnosti, tako ćemo sada najpre definisati transformacije sličnosti radi uvođenja pojma sličnosti figura. Definicija. Neka je k realan pozitivan broj. Transformacija sličnosti sa koeficijentom k prostora E n je bijektivna transformacija P: E n → E n ; n∈{1,2,3}, takva da svake dve tačke A, B∈ E n preslikava u tačke A', B' takve da važi A'B'=kAB. Izometrijske transformacije prostora E n su specijalan slučaj transformacija sličnosti za k=1. Teorema 1.* Neka je P transformacija sličnosti prostora E n i neka su A',B',C' odgovarajuće slike tačaka A,B,C prostora E n . Tada važi: B(A,B,C)⇒B(A',B',C').

Na osnovu prethodne teoreme, možemo zaključiti da transformacije sličnosti “čuvaju” kolinearnost tačaka, kao i da preslikavaju pravu u pravu, duž u duž, ugao u ugao itd. Dokaz sledeće teoreme je neposredan.

VIII Sličnost

177

Teorema 2. Neka je P transformacija sličnosti prostora E n i A',B',C',D' slike tačaka A,B,C,D, redom:

(i) Ako je AB≅CD, tada je i A'B'≅C'D'. (ii) AB:CD=A'B':C'D'. Lako se dokazuje da je kompozicija dve transformacije sličnosti sa koeficijentima k i k1, transformacija sličnosti sa koeficijentom sličnosti k·k1. Takođe je inverzna transformacija transformacije sličnosti sa koeficijentom k, transformacija sličnosti sa koeficijentom 1/k. Može se dokazati da kao kod izometrija postoje dve vrste transformacija sličnosti: direktne i indirektne transformacije sličnosti. Direktne transformacije sličnosti su one koje preslikavaju figure u jednako orjentisane figure. Indirektne transformacije sličnosti su one koje prevode figure u suprotno orjentisane figure. Jasno je da kompozicija dve direktne ili dve indirektne transformacije sličnosti predstavlja direktnu transformaciju sličnosti. Kompozicija direktne i indirektne transformacije sličnosti je indirektna transformacija sličnosti. Teorema 3. Homotetija HS.k je transformacija sličnosti sa koeficijentom |k|. Dokaz: Neka su A' i B' slike proizvoljnih tačaka A i B u homotetiji HS.k. Tada je na osnovu teoreme 3, iz odeljka 8.2, A'B'=kAB. Stoga je A'B':AB=|k|. q

Na osnovu prethodne teoreme, sledi da kompozicija homotetije i izometrije predstavlja transformaciju sličnosti. Važi međutim i sledeće tvrđenje. Teorema 4. Svaka transformacija sličnosti može se predstaviti kao kompozicija jedne homotetije i jedne izometrije. Dokaz: Neka je P proizvoljna transformacija sličnosti sa koeficijentom k. Ako sa HS.1/k označimo homotetiju sa proizvoljnim centrom S i koeficijentom 1/k, tada kompozicija HS.1/k°P predstavlja takođe transformaciju sličnosti sa koeficijentom k·1/k=1. Dakle, to je neka izometrija T za koju je HS.1/k°P=T. Na osnovu prethodne relacije i teoreme 8, iz odeljka 8.2, je P=HS.k°T. q

178

VIII Sličnost

Kako homotetija i izometrija svaki ugao preslikavaju u njemu podudaran, na osnovu prethodne teoreme, sledi da to važi i za proizvoljnu transformaciju sličnosti. Definicija. Kažemo da je u prostoru E n ; n∈{1,2,3} figura Φ slična figuri Φ', u oznaci Φ∼Φ', ako postoji transformacija sličnosti P tog prostora takva da je P(Φ)=Φ'. Koeficijent sličnosti transformacije P je koeficijent sličnosti figura Φ i Φ'. P Φ Φ'

Teorema 5.* Relacija sličnosti figura je relacija ekvivalencije.

U narednim odeljcima razmatraćemo samo sličnost figura u ravni, pa ćemo to podrazumevati uvek kada to nije precizirano.

8.4 Sličnost trouglova Kao i kod podudarnosti, sličnost trouglova41 često nije jednostavno dokazati direktno na osnovu definicije. Tako, analogno stavovima o podudarnosti trouglova, postoje i stavovi o sličnosti trouglova. Na osnovu razmatranja iz prethodne glave, ako su dva trougla slična tada su im uglovi podudarni i odgovarajuće ivice proporcionalne. Naredni stavovi su u vezi sa time koji od tih uslova su dovoljni za njihovu sličnost. Stav 1. Dva trougla su slična ako su dve ivice jednog trougla srazmerne sa odgovarajućim ivicama drugog trougla, a uglovi zahvaćeni tim ivicama podudarni.

41

Koristeći sličnost jednakokrako-pravouglih trouglova, Tales iz Mileta (VII-VI v. pre n. e.) izračunao je visinu Keopsove piramide.

VIII Sličnost

179

Dokaz: Neka su trouglovi ABC i A A'BC' takvi da važe uslovi: A'B':AB=A'C':AC(=k) i ∠A≅∠A'. A' Neka su B" i C" tačke polupravih C" B AB i AC takve da je AB"≅A'B' i AC"≅A'C'. Tada je ∆AB"C"≅∆A'B'C' (SUS). Dakle, B C B' C' postoji izometrija T takva da je T(∆AB"C")=∆A'B'C'. Kako za homotetiju HA,k važi HA,k(∆ABC)=∆AB"C", zaključujemo da transformacija sličnosti T°HA,k preslikava trougao ABC u trougao A'B'C', pa je ∆ABC∼∆A'B'C'. q Stav 2. Dva trougla su slična ako su dva ugla jednog trougla podudarna sa odgovarajućim uglovima drugog trougla. Dokaz: Neka su ABC i A'B'C' A trouglovi sa dva para odgovarajućih podudarnih uglova. A' Tada su i uglovi trećeg para me|u C" B sobom podudarni. Neka je " k=A'B':AB i neka su B" i C" tačke polupravih AB i AC takve da je B C B' C' AB"≅A'B' i AC"≅A'C'. Tada je k=AB":AB. Takođe, trouglovi A'B'C' i AB"C" su podudarni (SUS), pa je ∠C"B"A≅∠C'B'A'≅∠CBA. Na osnovu toga je B"C"||BC. Tada homotetija HA,k slika trougao ABC u trougao AB''C'' i trougao AB''C'' nekom izometrijom T u trougao A'B'C'. Dakle, transformacija sličnosti T°HA,k slika trougao ABC u trougao A'B'C', pa su oni slični. q Stav 3. Dva trougla su slična ako su sve ivice jednog trougla srazmerne sa odgovarajućim ivicama drugog trougla.

180

VIII Sličnost

Dokaz: Neka su ABC i A'B'C' A trouglovi takvi da je: A'B':AB=A'C':AC=B'C':BC=k i neka A' su B" i C" tačke polupravih AB i C" B AC takve da je AB"≅A'B' i AC"≅A'C'. Tada je k=AB":AB=AC":AC. Na osnovu B C B' obratne Talesove teoreme je tada B"C"||BC, pa je dalji deo dokaza sličan kao u prethodnoj teoremi. q

C'

Dokaz poslednjeg stava ćemo izostaviti. Stav 4. Dva trougla su slična ako su dve ivice jednog trougla srazmerne odgovarajućim ivicama drugog trougla, uglovi naspram dveju od tih odgovarajućih ivica podudarni, a naspram drugih dveju ivica uglovi su ili oba oštra, ili oba tupa, ili oba prava. Primer. Neka je k krug opisan oko trougla ABC Ako su B', C' podnožja upravnih iz temena B i C na tangenti kruga k u temenu A, dokazati da je visina AD tog trougla geometrijska sredina duži BB' i CC' tj. AD = BB'⋅CC' . Rešenje: Ugao BAB' podudaran je periferijskom uglu nad tetivom AB tj. ∠BAB'≅∠ACD. Kako su i uglovi AB'B i CDA podudarni kao pravi, na osnovu stava 2, je ∆AB'B∼∆CDA. Tada je AD:BB'=AC:BA (1). Na isti način dokazujemo i da je ∆AC'C∼∆BDA i zatim CC':AD=AC:BA (2). Iz relacija (1) i (2) sledi AD:BB'=CC':AD, odnosno AD = BB'⋅CC' .

C' A B'

B

D

C

Zadaci 1. Ako je N središte luka BC kruga opisanog oko trougla ABC, na kojem nije tačka A, a E presečna tačka prave AN sa ivicom BC, dokazati da je: ∆ABN∼∆BEN.

VIII Sličnost

181

2. Neka je ABCD paralelogram. Ako su E i F tačke u kojima krug opisan oko trougla ABC seče prave AD i CD, dokazati da je ∆EBC∼∆EFD. 3. Ako su AA' i BB' visine oštrouglog trougla ABC, dokazati da je ∆ABC∼∆B'A'C. 4. Ako prava određena visinom AD trougla ABC dodiruje opisani krug tog trougla, dokazati da je AD2=BD·CD. 5. Ako je kod trougla ABC unutrašnji ugao kod temena A dva puta veća od unutrašnjeg ugla kod temena B, dokazati da među ivicama tog trougla važi relacija BC2= AC2+AC·AB. 6. Dokazati da su kod sličnih trouglova poluprečnici upisanih krugova proporcionalni odgovarajućim ivicama.

8.5 Harmonijska spregnutost parova tačaka. Apolonijev krug U odeljku 8.1 uveli smo pojam harmonijske četvorke tačaka: ako su A,B,C,D četiri razne kolinearne tačke i AC AD : = −1 , CB DB kažemo da je par tačaka A,B harmonijski spregnut sa parom tačaka C,D u oznaci H(A,B;C,D). Harmonijska spregnutost ima veliki značaj, ne samo u tzv. projektivnoj geometriji, gde joj je uloga jedna od osnovnih, već i u elementarnoj euklidskoj geometriji. Dokažimo neka osnovna svojstva ove relacije: Teorema 1. Ako tačka C prave AB nije središte duži AB, tada postoji jedinstvena tačka D takva da je H(A,B;C,D). Dokaz: Direktna posledica teoreme 4, iz odeljka 8.1. q Teorema 2. Ako su A,B,C,D četiri tačke pri čemu je H(A,B;C,D), tada je i: H(A,B;D,C), H(C,D;A,B).

182

VIII Sličnost

AC AD AD AC =− , tj. =− , pa važi DB CB CB DB AC AD CA CB H(A,B;D,C). S druge strane iz =− sledi i =− , tj. CB DB AD BD H(C,D;A,B). q

Dokaz: Iz H(A,B;C,D), sledi

Teorema 3. Ako su A,B,C,D četiri razne kolinearne tačke neke prave p, O tačka van te prave, a E i F tačke u kojima prava kroz tačku B paralelna sa pravom OA seče prave OC i OD, tada je: H(A,B;C,D) ⇔ SB(E)=F. O F

A

C

B

D

E

Dokaz: ⇒. Ako je H(A,B;C,D), tada je prema Talesovoj teoremi:

AO AC AD AO = =− =− , pa je FB = − EB = BE , tj. SB(E)=F. EB CB DB FB ⇐. Neka je SB(E)=F, tada je:

AC AO AO AD = =− =− , pa je po definiciji H(A,B;C,D). q CB EB FB DB Ustanovili smo da na pravoj AB postoje tačno dve tačke koje duž AB dele u odnosu m:n, gde su m i n dve nepodudarne duži. One predstavljaju unutrašnju i spoljašnju podelu duži u tom odnosu i definisali smo ih kao tačke harmonijski spregnute sa tačkama A i B. Postavlja se pitanje, a i od velikog je praktičnog značaja, šta predstavlja skup svih tačaka X ravni, takvih da je AX:XB=m:n. Odgovor daje sledeća teorema:

VIII Sličnost

183

Teorema 4. (O Apolonijevom42 krugu) Neka su A i B dve tačke i m i n dve nepodudarne duži neke ravni. Ako su C i D tačke prave AB AC AD m takve da je =− = tada je skup svih tačaka X te CB DB n AX m ravni takvih da je = , krug nad prečnikom CD. XB n Dokaz: Neka je k krug nad prečnikom CD. Neka je dalje, X proizvoljna tačka te ravni, p prava koja sadrži tačku B i paralelna je sa AX i E i F presečne tačke pravih XC i XD sa pravom p. Na osnovu prethodne teoreme, je tačka B središte duži EF, jer je H(A,B;C,D). Potrebno je dokazati da je: AX:XB=m:n akko X∈k. ⇐. Neka je X∈k. Tada je ugao EXD prav, kao ugao nad prečnikom CD, pa je BE≅BX≅BF. Tada je na osnovu Talesove teoreme: AX AX AC m = = = . XB EB CB n X

k F

C A

D B

E

AX m AC AX = = = , pa je XB n CB BE XB≅BE≅BF. Dakle, trougao EXB je pravougli. Odatle sledi, da je ugao CXD prav, tj. tačka X je na krugu k nad prečnikom CD. q Krug iz prethodne teoreme naziva se Apolonijev krug. ⇒. Neka je AX:XB=m:n. Tada je

Primer. Ako su E i F tačke u kojima bisektrise unutrašnjeg i spoljašnjeg ugla kod temena A trougla ABC seku pravu BC, dokazati da je:

(i) BE:CE=BF:CF=AB:AC, 42

Starogrčki matematičar Apolonije iz Perge (III-II v. pre n. e.)

184

VIII Sličnost

(ii) H(B,C;E,F) Rešenje: Označimo sa M i N tačke u kojima paralelna prava iz tačke C sa AB seče bisektrise unutrašnjeg i spoljašnjeg ugla redom. Trouglovi AMC i ANC su jednakokraki (odgovarajući uglovi su podudarni, kao uglovi na transverzali). Iz toga i sličnosti trouglova ABE i MCE sledi: AB AB BE = = . AC MC EC Kako je trougao ABF homotetičan trouglu NCF važi: AB AB BF = = . AC CN CF A N F

E B

C M

(ii) Direktno na osnovu definicije harmonijske spregnutosti.

Zadaci 1. Neka su A, C, B tačke na pravoj p takve da C nije središte duži AB. Konstruisati tačku D na toj pravoj, koja je sa tačkom C harmonijski spregnuta u odnosu na tačke A i B. 2. Konstruisati tačku M iz koje se duži AC, CB, BD, koje pripadaju istoj pravoj, vide pod istim uglom, ako je H(A,B;C,D). 3. Konstruisati trougao: (i) a, la, b:c, (ii) a, α, b:c, (iii) a, ha, b:c. 4. Neka su A i B tačke van prave p neke ravni. Konstruisati tačku L na pravoj p takvu da je AL:LB=2:3.

VIII Sličnost

185

8.6 Neke karakteristične teoreme Dokazaćemo nekoliko značajnih teorema, koje su posledica stavova o sličnosti trouglova, i imaju široku primenu. Teorema 1. (Đ. Čeva43) Neka su P, Q, R tačke pravih određenih ivicama BC, CA, AB trougla ABC. Tada važi ekvivalencija:

Prave AP, BQ, BP CQ AR ⋅ ⋅ = 1. PC QA RB

CR

pripadaju

jednom

pramenu

akko

je

Dokaz: ⇒. Neka se prave AP, BQ, CR seku u nekoj tački S (čitaocu prepuštamo slučaj kada su paralelne). Pravu koja sadrži tačku A, paralelnu sa pravom BC označimo sa p, a njene presečne tačke sa pravama BQ i CR označimo sa K i L. Tada je na osnovu Talesove teoreme (i njenih posledica):

BP KA , = PC AL

AR AL . = RB CB

CQ CB = , QA KA

Iz

tih

jednakosti

sledi:

BP CQ AR ⋅ ⋅ =1. PC QA RB L

K

A R

A

p

Q

R

Q

S B

S P

C

B

P

P1

C

BP CQ AR ⋅ ⋅ =1, i S presečna tačka pravih BQ i CR (slučaj PC QA RB kad su BQ i CR paralelne, opet prepuštamo čitaocu). Tada, ako je P1 presek prave AS sa pravom BC, u odnosu na prave AP1, BQ, CR možemo BP1 CQ AR ⋅ ⋅ =1. Na osnovu primeniti prvi deo dokaza (⇐), pa je PC QA RB 1

⇐. Neka je

43

Đ. Čeva (1648-1734), italijanski matematičar, dokazao je ovo tvrđenje 1678. g.

186

VIII Sličnost

pretpostavke je onda

BP1 BP = tj. P=P1, pa se prave AP, BQ, CR seku u P1C PC

tački S. q Teorema 2. (Menelaj44) Neka su P, Q, R tačke pravih određenih ivicama BC, CA, AB trougla ABC. Tada važi ekvivalencija:

Tačke P, Q, R su kolinearne akko je

BP CQ AR ⋅ ⋅ = −1 . PC QA RB

A R B'

A'

B

Q

C' C

P

Dokaz: ⇒. Neka su P, Q, R tačke neke prave l. Sa A', B', C' označimo podnožja upravnih iz temena A, B, C tog trougla na pravoj l. Primenom BP CQ AR BB' CC ' AA' ⋅ ⋅ = −1 . Talesove teoreme izvodimo: ⋅ ⋅ = PC QA RB C ' C A' A B' B . BP CQ AR ⋅ ⋅ = −1 . Sa P1 označimo presečnu tačku ⇐. Neka je sada PC QA RB pravih QR i BC. Tada su tačke P1, Q, R kolinearne pa u odnosu na njih BP CQ AR ⋅ ⋅ = −1 . možemo primeniti dokazani deo teoreme (⇒), pa je PC QA RB

Na osnovu prethodne i polazne relacije je

BP BP1 = , tj. P=P1. Dakle, PC P1C

tačke P, Q, R su kolinearne. q 44

Menelaj Aleksandrijski (I vek), u svom delu "Sferika", dokazao je ovo tvrđenje za slučaj sfernih trouglova, a tvrđenje za slučaj trouglova u ravni navodi kao već poznato. Međutim, kako nijedan raniji izvor nije sačuvan, i u tom slučaju tvrđenje nazivamo Menelajeva teorema. Zbog svoje sličnosti Čevaova i Menelajeva teorema nazivaju se teoreme blizanci. 1500 godina, koje razdvajaju njihova otkrića, pokazuju da se geometrija u tom periodu veoma sporo razvijala.

VIII Sličnost

187

Teorema 3. (Ptolomej45) Neka je ABCD tetivan četvorougao. Tada je proizvod njegovih dijagonala jednak zbiru proizvoda njegovih naspramnih ivica, tj: AC·BD=AB·CD+BC·AD Dokaz: Neka je L tačka dijagonale AC takva da je ∠ABL≅∠CBD. Tada je ∆ABL∼∆DBC (∠BAL≅∠BDC), pa je AB:DB=AL:DC tj. AB·CD=AL·BD (1). Takođe je ∆BCL∼∆BDA (∠BCL≅∠BDA, ∠LBC≅∠ABD), na osnovu čega je BC:BD=CL:DA tj. BC·AD=CL·BD (2). Sabirajući (1) i (2) dobijamo traženu jednakost. q

C

D

L B A

Dokažimo sada znamenitu Pitagorinu teoremu: Teorema 4. Za svaki pravougli trougao važi: (i) Kateta je geometrijska sredina hipotenuze i svoje ortogonalne projekcije na hipotenuzu. (ii) Visina koja odgovara hipotenuzi je geometrijska sredina ortogonalnih projekcija kateta na hipotenuzu. (iii) (Pitagora46) Kvadrat hipotenuze jednak je zbiru kvadrata kateta. Dokaz: (i) U pravouglom trouglu ABC, C sa pravim uglom kod temena C, označimo podnožje visine iz temena C h sa D a projekcije kateta AC i BC sa p i q respektivno. Trouglovi ADC i ACB su A p D q slični jer su pravougli sa zajedničkim AC AD = , tj. AC2=AB·AD. uglom kod temena A. Tada je: AB AC 45

B

Ptolomej Aleksandrijski (II vek) dokazao je ovu teoremu u svom delu "Veliki zbornik". 46 Pretpostavlja se da je ovo tvrđenje, bilo poznato još Egipćanima (oko 3000 g. pre n. e.) i Vaviloncima (oko 2000 g. pre n. e.), ali ga je Pitagora, starogrčki filozof i matematičar sa ostrva Samosa (VI v. pre n. e.), prvi dokazao. Pomoću njega, Pitagora (ili neki od njegovih učenika) je ustanovio nesamerljivost ivice i dijagonale kvadrata. Međutim, kod Starih grka Pitagorina teorema izražavala je odnos između površina odgovarajuća tri kvadrata, a ne između dužina tri ivice.

188

VIII Sličnost

(ii) Iz sličnosti trouglova CAD i BCD sledi:

CD AD = . Dakle h2=p·q, gde DB CD

je h=CD. (iii) Kako je AC2=p·AB i BC2=q·AB, važi: AC2+BC2=p·c+q·c=(p+q)·AB=AB2. q Lako se dokazuje i obratna Pitagorina teorema: Teorema 5. Ako je AC2+BC2=AB2, tada je trougao ABC pravougli, sa pravim uglom kod temena C. Dokaz: Neka je A'B'C' pravougli trougao, sa pravim uglom kod temena C', takav da je A'C'≅AC i B'C'≅BC. Na osnovu Pitagorine teoreme je A'C'2+B'C'2=A'B'2, pa je A'B'≅AB. Dakle, trouglovi ABC i A'B'C' su podudarni, prema stavu SSS, pa je ugao kod temena C, trougla ABC, prav. q Teorema 6. (Stjuart47) Ako je X proizvoljna tačka ivice BC trougla ABC, CX 2 BX tada je: AX2 = AB + AC2 − BX ⋅ CX . BC BC Dokaz: Sa a, b, c označimo odgovarajuće ivice, sa p, q, x redom duži BX, CX, AX i sa A' podnožje visine ha iz temena A. Pretpostavimo da je B(B,A',C). A

A

B

47

c

b

c

p X=A

q

C

B

ha

y A' p

b

x

X

q

C

M. Stjuart (1717-1785), engleski matematičar, je dokazao i objavio ovu teoremu 1746. g. Tvrđenje je Stjuartu saopštio njegov učitelj, engleski matematičar R. Simson (16871768), koji ga je objavio tek 1749. g. Moguće je međutim, da je ono bilo poznato još Arhimedu iz Sirakuze (III v. pre n. e.).

VIII Sličnost

189

Dokažimo najpre tvrđenje u slučaju kad je X=A'. Primenom Pitagorine teoreme biće: ha2 = b2 − q2 i ha2 = c2 − p2 . Množenjem prve jednakosti sa p q p a druge sa q i zatim sabiranjem zaista dobijamo ha2 = b2 + c2 − pq . a a Neka je X≠A'. Duž ha je visina u trouglovima ABX i ABC. Pretpostavimo, ne umanjujući opštost, da je B(B,A',X). Ako sa y označimo BA', primenjujući prethodno dokazano dobijamo: y p−y 2 y a−y 2 c − y( p − y) ha2 = x2 + i ha2 = b2 + c − y(a − y). p p a a Izjednačavanjem desnih strana jednakosti i sređivanjem dobijamo p q x2 = b2 + c2 − pq, što je trebalo dokazati. Dokaz je sličan i u slučaju a a p q kada nije B(B,A',C) s tim što je tada ha2 = b2 + c2 + pq . q a a Primer 1. Dokazati da se prave određene temenima i dodirnim tačkama naspramnih ivica sa upisanim krugom trougla ABC seku u jednoj tački (tzv. Žergonovoj 48 tački). Rešenje: Neka su P, Q, R, dodirne tačke kruga upisanog u trougao ABC sa njegovim ivicama BC, CA, AB, redom. Tada su podudarne odgovarajuće tangentne duži: BP≅BR, CP≅CQ, AQ≅AR. Tada je BP CQ AR ⋅ ⋅ =1. Kako je B(B,P,C), B(C,Q,A), B(A,R,B), mora biti PC QA RB BP CQ AR BP CQ AR ⋅ ⋅ > 0 , pa je na osnovu prethodnog ⋅ ⋅ = 1. PC QA RB PC QA RB Dakle, prave AP, BQ, CR pripadaju jednom pramenu prema Čevaovoj teoremi. To je pramen konkurentnih pravih, jer se AP i BQ seku na osnovu Pašove aksiome (zad 2.8)

48

Ovo tvrđenje dokazao je J. D. Žergon (1771-1859), francuski matematičar. U XIX veku posvećena je posebna pažnja metričkim svojstvima trougla, pa su otkrivene i druge tačke karakteristične za trougao (v. zad. 8.46, 8.47).

190

VIII Sličnost

A A Q R C

B P B

P

C

Primer 2. Neka je P proizvoljna tačka kruga, opisanog oko pravilnog trougla ABC. Dokazati da najveća od duži PA, PB, PC jednaka sumi ostale dve. Rešenje: Neka je P,A÷BC. Tada je četvorougao ABPC tetivan, pa na osnovu Ptolomejeve teoreme važi: PA·BC=AB·PC+AC·PB. Ali kako je AB≅BC≅CA, sledi: PA=PC+PB. Dokaz je isti i u slučajevima kada je tačka P Na nekom drugom luku kruga opisanog oko trougla ABC.

Zadaci 1. Primenom Čevaove teoreme dokazati da se prave određene visinama trougla seku u jednoj tački. 2. Dokazati da kod proizvoljnog trougla simetrale spoljašnjih uglova seku prave određene naspramnim ivicama u kolinearnim tačkama. 3. Ako je a ivica i d dijagonala pravilnog petougla, dokazati da je: d 2−ad − a2 = 0. 4. Ako su a, b, c date duži, konstruisati duž x ako je: (i) x2 = a2 + b2 ; (ii) x2 = a2 − b2 ; (iii) x2 = ab ; (iv) x2 = 3ab − c2 . 5. Ako su a, b, c ivice i ta odgovarajuća težišna duž trougla, dokazati: 1 1 1 ta2 = b2 + c2 − a2 2 2 4

VIII Sličnost

191

8.7 Potencija tačke u odnosu na krug Među najinteresantnijim svojstvima kruga, koja naglašavaju neke njegove metričke osobine je i potencija tačke49. Pre prelaska na samu definiciju pojma potencije, dokažimo sledeću teoremu: Teorema 1. Ako je P tačka u ravni kruga k(O,r), tada je za svaku pravu te ravni koja sadrži tačku P i seče krug u tačkama A i B izraz PA ⋅ PB konstantan i PA ⋅ PB =PO2-r2. Ako je P spoljašnja tačka kruga k i PT njegova tangenta u tački T, tada je PA·PB=PT2.

B1

A

B

P

B A T

P=A

O

A1

P

B

Dokaz: Razmotrimo tri slučaja: 1) Tačka P je spoljašnja tačka kruga. Tada nije B(A,P,B) pa je PA ⋅ PB >0 (1). Neka je npr. B(P,A,B). Trouglovi PAT i PTB su slični (jedan zajednički ugao i ∠PTA≅∠PBT), pa je PA:PT=PT:PB tj. PA·PB=PT2=PO2-r2. Tada je zbog relacije (1) i PA ⋅ PB =PT2=PO2-r2. 2) Ako je P na krugu k, tada je PA ⋅ PB =0=PO2-r2. 3) Tačka P je unutrašnja tačka kruga. Tada je B(A,P,B) pa je PA ⋅ PB <0 (2). Neka su A1 i B1 presečne tačke prave OP sa krugom k (i neka je B(A1,P,O)). Zbog podudarnosti odgovarajućih periferijskih uglova trouglovi APB1 i A1PB su slični, pa je AP:A1P=PB1:PB, odnosno:

PA·PB=PA1·PB1=(r-PO)·(r+PO)=r2-PO2. Na osnovu relacije (2) je: PA ⋅ PB =PO2-r2. q Sada možemo dati definiciju potencije tačke u odnosu na krug. 49

Reč potencija prvi je u tom značenju upotrebio švajcarski geometričar J. Štajner (1769-1863).

192

VIII Sličnost

Definicija. Konstantan proizvod PA ⋅ PB uveden prethodnom teoremom nazivamo potencija tačke P u odnosu na krug, k u oznaci p(P,k).

Na osnovu prethodne teoreme potencija tačke P u odnosu na krug k(O,r) je broj PO2-r2. Taj broj je pozitivan, nula ili negativan, već prema tome da li je P spoljašnja tačka kruga k, tačka kruga k ili unutrašnja tačka tog kruga. < 0 ako je OP < r  p(P, k) = 0 ako je OP = r > 0 ako je OP > r  U narednom izlaganju cilj nam je da utvrdimo šta predstavljaju sve tačke neke ravni za koje su potencije u odnosu na dva data kruga jednake. Najpre dokažimo sledeće pomoćno tvrđenje: Lema. Ako su A i B tačke i d duž neke ravni, skup tačaka X te ravni takvi da je AX2-BX2=d2 je prava upravna na pravoj AB. Dokaz: Neka je D tačka te ravni takva da je DB⊥BA i DB≅d. Sa X0 označimo presečnu tačku prave AB i A medijatrise duži AD. Tada je za tačku X0: 2

2

2

2

2

X

X0

B d

2

AX0 -BX0 =DX0 -BX0 =DB =d . Traženi skup tačaka je upravna prava na pravoj AB u tački X0, što sledi iz direktne i obratne Pitagorine teoreme. q

x D

Teorema 2. Skup svih tačaka ravni kojima su potencije u odnosu na dva data nekoncentrična kruga među sobom jednake, predstavlja pravu normalnu na pravoj određenoj centrima tih krugova. Dokaz: Neka su k1(O1,r1) i k2(O2,r2) (r1>r2) ta dva kruga. Tačka P pripada traženom skupu akko je p(P,k1)=p(P,k2) tj. akko je O1P2-r12=O2P2-r22, odnosno akko je O1P2-O2P2=r12-r22. Na osnovu prethodne leme traženi skup je zaista prava upravna na pravoj O1O2. q

Na osnovu prethodne teoreme uvodimo sledeći pojam:

VIII Sličnost

193

Definicija. Skup svih tačaka ravni kojima su potencije u odnosu na dva data nekoncentrična kruga među sobom jednake, naziva se potencijalna osa ili radikalna osa tih krugova. p p k

p

k

k

A

l

T B

l

l

U specijalnom slučaju, kada se ta dva kruga seku u tačkama A i B, svaka od tih tačaka ima potenciju nula u odnosu na oba kruga, pa je zbog toga njihova potencijalna osa prava AB. Analogno, kada se dva kruga dodiruju, njihova potencijalna osa je zajednička tangenta u tački dodira. Ostaje nam da konstruišemo potencijalnu osu kad krugovi nemaju zajedničkih tačaka. To je moguće uraditi koristeći dokazanu lemu. Nešto kraći postupak je vezan za konstrukciju pomoćnog kruga koji seče oba zadata u tačkama npr. A,B odnosno C,D. Presečna tačka pravih AB i CD tada pripada traženoj potencijalnoj osi. Na kraju ovog odeljka, pomenimo još neke pojmove vezane za potenciju tačke u odnosu na krug. Definicija. Skup svih krugova ravni od kojih svaka dva imaju za potencijalnu osu istu pravu s, naziva se pramen krugova a prava s potencijalna osa tog pramena krugova.

Pretpostavimo da tri kruga ne pripadaju istom pramenu i da nikoja dva nisu koncentrična. Tada, posmatrajući ih par po par, možemo odrediti tri potencijalne ose. Bilo koja tačka koja ima istu potenciju u odnosu na sva tri kruga mora pripadati svakoj od tih pravih.

194

VIII Sličnost

k l

k

l

j

j

Obratno, bilo koja tačka preseka dve od te tri potencijalne ose, ima istu potenciju u odnosu na sva tri kruga, pa mora pripadati i trećoj osi. Tačka u kojoj se te tri ose seku naziva se potencijalno središte ta tri kruga. Ako su dve od tih triju osa paralelne, onda je i treća paralelna njima. Time smo dokazali sledeće tvrđenje: Teorema 3. Potencijalne ose triju krugova neke ravni pripadaju jednom pramenu. Primer. Za datu duž AB konstruisati tačku Z koja je deli po zlatnom preseku. (Tačka Z duži AB deli tu duž po zlatnom ako je preseku50 AZ:ZB=AB:AZ.)

je k(S,SB) krug 1 1 poluprečnika SB= AB= a, koji 2 2 dodiruje pravu AB u tački B. Taj krug možemo konstruisati, a zatim i njegove presečne tačke sa pravom AS. Označimo ih sa X i Y tako da je B(A,X,S). Tada je A traženu tačku Z možemo konstruisati kao presek duži AB i kruga l(A,AX). Zaista: Rešenje:

Neka

a2=AB2=AX·AY=AX(AX+a)=AZ(AZ+a), tj. AB − AZ AZ AZ AB = , odnosno = . AZ AB BZ AZ 50

k Y l S X Z

B

AB AZ = + 1. Odatle sledi AZ AB

Ovakvu podelu razmatrao je Pitagora sa ostrva Samosa, starogrčki filozof i matematičar (VI v. pre n. e.), i nazvao zlatnim deljenjem. Termin koji danas koristimo uveo je Leonardo da Vinči (1452-1519), italijanski slikar, arhitekta i pronalazač.

VIII Sličnost

195

Zadaci 1. Koju najmanju vrednost može imati potencija tačke u odnosu na krug poluprečnika R? Koja tačka ima tu ekstremnu vrednost? 2. Odrediti skup tačaka koji ima konstantnu potenciju u odnosu na dati krug. 3. Ako su PT i PU tangente iz tačke P na dve koncentrična kruga, pri čemu tačka T pripada manjem od tih krugova a U pripada većem, i ako prava PT seče veći krug u tački Q, onda je PT2-PU2=QT2. 4. Neka su A, B zajedničke tačke, a PQ zajednička tangenta dva kruga u dodirnim tačkama P i Q. Dokazati da središte duži PQ pripada pravoj AB. 5. Ako su k(S,r), l(O,R) opisani i upisani krug nekog trougla dokazati da je OS2=R2-2Rr. (Ojlerova formula51) 6. Neka su k, l, j krugovi čiji centri su nekolinearne tačke i takvi da su: A,B zajedničke tačke krugova k i l, C,D zajedničke tačke krugova l i j, E,F zajedničke tačke krugova j i k. Dokazati da se prave AB, CD, EF seku u jednoj tački.

Razni zadaci (sličnost) 1. Ako su M i N tačke u kojima prava kroz presek O dijagonala AC i BD paralelna sa osnovicama AB i CD trapeza ABCD, seče njegove krake, dokazati da je tačka O središte duži MN. 2. Neka je ABCD trapez osnovice AB. Ako je O presečna tačka dijagonala trapeza, E presečna tačka pravih BC i AD, dokazati da prava EO sadrži središta osnova AB i CD. 3. Ako su P, Q, R tačke u kojima proizvoljna prava kroz tačku A seče prave određene ivicama BC, CD i dijagonalom BD, paralelograma ABCD, dokazati da je AR2=PR·QR.

51

L. Ojler (1707-1783), švajcarski matematičar.

196

VIII Sličnost

4. Tačke D i K pripadaju ivicama BC i AC trougla ABC pri čemu je BD:DC=2:5 i AK:KC=3:2. U kom odnosu prava BK deli odsečak AD? 1 5. Ako je P tačka ivice AD paralelograma ABCD, takva da je AP= AD, n 1 AC. i Q tačka preseka pravih AC i BP, dokazati da je AQ= n+1 6. Neka je p prava i B, C tačke kruga k neke ravni. Konstruisati tačku A na krugu k takvu da je težište trougla ABC na pravoj p. 7. Neka je ABC trougao neke ravni. Konstruisati kvadrat čija dva susedna temena pripadaju ivici BC a preostala dva temena ivicama AB i AC. 8. Neka je k krug sa prečnikom AB. Konstruisati kvadrat čija dva susedna temena pripadaju prečniku AB a preostala dva temena krugu k. 9. Neka su p i q prave A tačka i m i n dve duži neke ravni. Konstruisati pravougaonik ABCD, čija temena B i D pripadaju redom pravama p i q, i tako da je AB:AD=m:n. 10. Ako su Pp i Qq poluprave neke ravni, konstruisati na njima tačke A i B takve da je PA:AB:BQ=1:2:1. 11. U dati trougao ABC upisati trougao čije su ivice paralelne datim pravama p, q, r. 12. Ako su p, q, r tri prave neke ravni, konstruisati pravu t, koja je upravna na pravoj p, i seče date prave redom u tačkama P, Q, R takvim da je PQ≅QR. 13. U krug sa centrom O upisan je četvorougao ABCD čije su dijagonale uzajamno normalne i seku se u tački E. Prava koja je u tački E upravna na pravoj AD seče ivicu BC u tački M. (i) dokazati da je M središte duži BC; (ii) odrediti skup tačaka M, kada se dijagonala BD menja ostajući upravna na AC. 14. Ako je HS,k homotetija, T izometrija neke ravni i T(S)=S', dokazati da je tada: T° HS,k°T -1 = HS',k .

VIII Sličnost

197

15. Dokazati da transformacija sličnosti koja nije izometrija ne može imati više od jedne fiksne tačke. 16. Neka je t tangenta kruga l opisanog oko trougla ABC, u temenu A. Ako je D tačka prave AC takva da je BD||t, dokazati da je AB2=AC·AD. 17. Ako ortocentar oštrouglog trougla deli dve visine u jednakom odnosu, računajući od temena trougla, dokazati da je taj trougao jednakokraki. 18. U trouglu ABC visina BD dodiruje krug opisan oko tog trougla. Dokazati da je : (i) razlika uglova na osnovici AC jednaka 90o. (ii) BD2=AD·CD. 19. Krug sa centrom na osnovi BC jednakokrakog trougla ABC dodiruje krake AB i AC. Ako su P i Q presečne tačke tih kraka sa nekom tangentom tog kruga, dokazati da je 4·PB·CQ=BC2. 20. Neka je H ortocentar oštrouglog trougla ABC. Ako je H središte visine AD, a visinu BE deli u odnosu 3:2, u kom odnosu H deli visinu CF. 21. Neka je k krug i S tačka van tog kruga neke ravni. Ako su P i Q dodirne tačke tangenti iz S na krugu k, a X i Y presečne tačke neke prave s kroz S sa krugom k, dokazati da je XP:YP=XQ:YQ. 22. Neka je D tačka ivice BC trougla ABC. Ako su O1 i O2 centri krugova opisanih oko trouglova ABD i ACD, dokazati ∆ABC∼∆AO1O2. 23. Neka je ABC trougao kome je ugao kod temena A prav. Ako upravna kroz proizvoljnu unutrašnju tačku P hipotenuze BC seče prave AC i AB u tačkama Q i R, a opisani krug tog trougla u tački S, dokazati da je PS2=PQ·PR. 24. Neka je A proizvoljna tačka kraka OP pravog ugla POQ. Ako su B,C,D tačke kraka OQ takve da je B(O,B,C), B(B,C,D) i OA≅OB≅BC≅CD, dokazati da je ∆ABC∼∆DBA. 25. Ako su a, b, c ivice, R poluprečnik opisanog kruga trougla i ha odgovarajuća visina, dokazati da je bc=2Rha. 26. Konstruisati trougao: (i) α, β, R+r; (ii) α, b:c, tc-hc;

(iii) ha, hb, hc.

198

VIII Sličnost

27. Ako su AB i CD osnovice jednakokrakog trapeza ABCD opisanog oko kruga poluprečnika r, dokazati da je AB·CD=4r2. 28. Neka je AE (E∈BC) bisektrisa unutrašnjeg ugla kod temena A trougla ABC. Ako je BC=a, AC=b, AB=c, dokazati da je: ac ab ; (ii) CE= . (i) BE= b+ c b+ c 29. Neka su AE (E∈BC) i BF (F∈AC) dve bisektrise unutrašnjih uglova i S centar upisanog kruga trougla trougla ABC. Ako je AS:SE=BS:SF, dokazati da je taj trougao jednakokraki. 30. Konstruisati paralelogram kod koga su ivice podudarne dvema datim dužima, a dijagonale su u odnosu 2:3. 31. Neka su M i N presečne tačke ivica AB i AC trougla ABC, sa pravom koja je kroz centar upisanog kruga tog trougla paralelna sa njegovom ivicom BC. Izračunati dužinu MN u funkciji dužina ivica trougla ABC. 32. Neka je AA1 težišna duž trougla ABC. Ako su P i Q presečne tačke bisektrisa uglova AA1B i AA1C sa ivicama AB i AC, dokazati da je PQ||BC. 33. Ako je kod trougla ABC, zbir ili razlika unutrašnjih uglova B i C prav ugao i ako je r poluprečnik kruga opisanog oko tog trougla, dokazati da je AB2+AC2=4r2. 34. Ako su a, b, c tri date duži, konstruisati duž x =

a ab + c2 . b+ c

35. Ako je D podnožje visine iz temena A trougla ABC, dokazati da je zbir ili razlika unutrašnjih uglova B i C prav ugao ako i samo ako je 1 1 1 + = . 2 2 AB AC AD2 36. Ako je su a, b, c ivice, s poluobim i la odsečak bisektrise unutrašnjeg ugla naspram ivice a trougla ABC, dokazati da je: 2 bc la = s(s − a) . b+c 37. Ako je T težište i X proizvoljna tačka u ravni trougla ABC, dokazati da je:

VIII Sličnost

199

XA2 + XB2 + XC2 = TA2 + TB2 + TC2 + 3XT 2 . (Lajbnicova52 teorema) Odrediti zatim, tačku u ravni trougla ABC, za koju je zbir kvadrata rastojanja od temena tog trougla minimalan.

38. Izračunati rastojanje između težišta i centra opisanog kruga trougla, u funkciji njegovih ivica i poluprečnika opisanog kruga. 39. Dokazati da kod trougla ABC simetrala spoljašnjeg ugla A i simetrale unutrašnjih uglova B i C seku prave određene naspramnim ivicama u kolinearnim tačkama. 40. Dokazati da kod raznostranog trougla ABC tangente opisanog kruga u temenima A,B,C seku prave određene naspramnim ivicama u kolinearnim tačkama. 41. Dokazati da su kod trougla ABC središte visine AD, centar upisanog kruga i dodirna tačka ivice BC sa spolja upisanim krugom tri kolinearne tačke. 42. Primenom Menelajeve, dokazati Simpsonovu teoremu (v. zad. 5.19). 43. Kroz tačku M ivice AB trougla ABC konstruisana je prava koja seče pravu AC u tački K. Odrediti u kom odnosu prava MK deli ivicu BC, ako AM:MB=1:2 i AK:AC=3:2. 44. Neka je A1 središte ivice BC trougla ABC. Ako su P i Q tačke ivica AB i AC takve da je BP:PA=2:5 i AQ:AC=6:1, odrediti u kom odnosu prava PQ deli težišnu duž AA1. 45. Dokazati da se kod proizvoljnog trougla prave određene temenima i dodirnim tačkama spolja upisanog kruga sa pravama koje sadrže naspramne ivice seku u jednoj tački. 46. Dokazati da se prave, koje sadrže temena i dele suprotne ivice na delove proporcionalne kvadratima susednih ivica, seku u jednoj tački (tzv. Lemoanovoj 53 tački tog trougla). 47. Dokazati da se kod proizvoljnog trougla prave određene temenima i dodirnim tačkama spolja upisanih krugova sa naspramnim ivicama seku u jednoj tački (tzv. Nagelovoj 54 tački tog trougla).

52 53

G. V. Lajbnic (1646-1716), nemački matematičar. E. Lemoan (1751-1816), francuski matematičar.

200

VIII Sličnost

48. Ako je a ivica, a D i d duža i kraća dijagonala pravilnog sedmougla, 1 1 1 = + . dokazati da je: a D d 49. Šta predstavlja skup tačaka iz koje su tangentne duži u odnosu na dva data kruga podudarne. 50. Dokazati da središta duži na zajedničkim tangentama dva kruga koja se ne seku, određene dodirnim tačkama, predstavljaju kolinearne tačke. 51. Konstruisati krug koji sadrži dve date tačke i dodiruje datu pravu. 52. Konstruisati krug koji sadrži dve date tačke i dodiruje dati krug. 53. Neka je E presek bisektrise unutrašnjeg ugla kod temena A trougla ABC sa njegovom ivicom BC i A1 središte te ivice. Ako su P i Q preseci kruga opisanog oko trougla AEA1 sa ivicama AB i AC trougla ABC, dokazati da je BP≅CQ. 54. Dokazati da poluprečnik kruga opisanog oko nekog trougla nije manji od dvostrukog poluprečnika kruga upisanog u taj trougao. 55. Neka su PP1 i QQ1 spoljašnje tangente krugova k(O,r) i k1(O1,r1), u dodirnim tačkama P, P1, Q, Q1 respektivno. Ako je S presečna tačka tih tangenti, A jedna od presečnih tačaka tih krugova i L i L1 preseci prave SO sa pravama PQ i P1Q1, dokazati da je ∠LAO≅∠L1AO1. 56. Ako su ka(Sa,ra), l(O,R) spolja upisani krug i opisani krug nekog trougla, dokazati da je SaO2=R2+2raR. 57. Konstruisati krug normalan na tri data kruga. 58. Ako je d dijagonala, a a ivica pravilnog petougla dokazati da je: d=

1+ 5 a. 2

59. Konstruisati pravilan petougao: (i) ivice podudarne datoj duži; (ii) upisan u dati krug. 54

K. H. Nagel (1803-1882), nemački matematičar, objavio je ovo tvrđenje 1836. g. Inače, svaka od pravih o kojima je reč dele obim trougla na dva jednaka dela, pa se ovo tvrđenje naziva i teorema o poluobimu trougla.

VIII Sličnost

201

60. Dokazati da je ivica pravilnog desetougla, upisanog u krug, jednaka većem delu poluprečnika tog kruga, podeljenog po zlatnom preseku. 61. Dokazati da je kvadrat ivice pravilnog petougla, upisanog u krug, jednak zbiru kvadrata ivica pravilnog šestougla i pravilnog desetougla upisanog u taj krug. 62. Konstruisati tetivni četvorougao čije su ivice podudarne četirima datim dužima a, b, c, d. 63. Neka su k i l dva kruga i P tačka neke ravni. Konstruisati pravu koja sadrži tačku P i na krugovima k i l određuje podudarne tetive. 64. Neka su ABC i A1B1C1 dva trougla neke ravni, takva da se prave AA1, BB1, CC1 seku u tački S. Ako se prave BC i B1C1, AC i A1C1, AB i A1B1 seku redom u tačkama P, Q, R, dokazati da su one kolinearne (Dezargova55 teorema). 65. Ako su A', B', C' podnožja visina iz temena A, B, C trougla ABC i P, Q, R presečne tačke redom pravih BC i B'C', AC i A'C', AB i A'B', dokazati da su P, Q, R kolinearne tačke. 66. Neka su p, q, r tri prave neke ravni koje se seku u tački S, i A, B, C tačke van tih pravih. Konstruisati trougao PQR čija temena pripadaju pravama p, q, r a ivice sadrže tačke A, B, C. Može li se ova konstrukcija izvršiti samo pomoću lenjira?56 67. Ako Neka su A, B, C, D, E, F proizvoljne tačke nekog kruga k. Tada su tačke X=AE∩BD, Y=AF∩CD, Z=BF∩CE kolinearne. (Paskalova teorema57)

55

Ž. Dezarg (1591-1661), francuski arhitekta. Dezargova teorema može se dokazati i bez primene aksioma podudarnosti, dakle u afinoj geometriji. Tvrđenje važi i u tzv. projektivnoj geometriji za koju je Dezarg jedan od utemeljivača. 56 Konstrukcije samo pomoću lenjira izučavali su, najpre francuski matematičar J. H. Lambert (1728-1777), a zatim francuski geometričari Š. Ž. Brijanšon (1783-1864) i V. Ponsele (1788-1867). Ove konstrukcije karakteristične su za projektivnu geometriju, u kojoj se ne definiše pojam podudarnosti. 57 Teorema, koju je B. Paskal (1623-1662), francuski filozof i matematičar, dokazao još kao šesnaestogodišnjak, takođe je jedna od fundamentalnih teorema projektivne geometrije. Inače, ovo tvrđenje važi uopšte za krive drugog reda - elipsu, parabolu i hiperbolu.

Glava IX

Inverzija

9.1 Definicija i osnovna svojstva inverzije U ovoj glavi definisaćemo jedno preslikavanje koje će, na neki način, predstavljati "refleksiju" u odnosu na krug. Prirodno je da takvo preslikavanje ima neka ista svojstva kao i osna refleksija. Naravno, ono neće biti izometrija, ali istaći ćemo sledeća željena zajednička svojstva: 1. Osna refleksija je bijektivno preslikavanje. 2. Osna refleksija je involucija. 3. Osna refleksija preslikava jednu od oblasti na koju osa te refleksije deli ravan u drugu. 4. Sve invarijantne tačke osne refleksije su na osi te refleksije. 5. Ako je X' slika tačke X u osnoj refleksiji tada je prava XX' normalna na osu te refleksije. Dakle, preslikavanje koje sada uvodimo trebalo bi da zadovoljava sva ova svojstva gde bi samo reč osa bila zamenjena sa reči krug. k

p X

X'

O

X

X'

Uvedimo najpre oznaku: E*2 = E 2 \{O}, gde je O tačka ravni E 2 .

202

IX Inverzija

203

Definicija. Neka je k(O,r) krug ravni E 2 . Preslikavanje ψk: E*2 → E*2 definisano sa: ψk(X)=X' ⇔ X' pripada polupravoj OX i OX·OX'=r2, naziva se inverzija58 u odnosu na krug k. Krug k, tačka O i poluprečnik r su redom: krug, centar i poluprečnik inverzije.

Razlog što smo za domen i kodomen izabrali E*2 upravo je vezan za svojstvo 1. Najpre, centar O nema svoju sliku jer bi bilo OO·OO'=r2, što nije moguće. S druge strane O nije slika nijedne tačke pa, kako želimo da je preslikavanje bijektivno, biramo i za kodomen E*2 . Konstruišimo sliku proizvoljne T tačke X u inverziji ψk u odnosu na krug k(O,r). Pretpostavimo da je X spoljašnja tačka kruga k. Neka je T dodirna tačka tangente iz tačke X na O X' X krug k, i X' podnožje upravne iz te tačke na pravoj OX. Dokažimo da je k tačka X' slika tačke X u inverziji ψk. Pravougli trouglovi OTX i OX'T su slični (∠TOX≅∠X'OT), na osnovu čega je OT:OX'=OX:OT. Dakle, OX·OX'=OT 2 =r2, pa je zaista ψk(X)=X'. Slučajeve kada je tačka X na krugu k ili u njegovoj unutrašnjosti razmotrićemo kasnije. Sada ćemo iskazati neka svojstva inverzije; najpre ona analogna pomenutim 1-5, a zatim još neka. Teorema 1.* Inverzija je bijektivno preslikavanje. Teorema 2.* Inverzija je je involucija.

Na osnovu prethodne teoreme, zaključujemo da se konstrukcija slike unutrašnje tačke kruga k, u inverziji ψk, može izvršiti obrnutim postupkom u odnosu na onaj kada je u pitanju bila spoljašnja tačka. Teorema 3. Inverzija u odnosu na krug k(O,r) preslikava unutrašnju oblast tog kruga bez centra O u njegovu spoljašnju oblast; i obratno, spoljašnja oblast se tom inverzijom preslikava u unutrašnju oblast bez centra O.

58

Ovakvo preslikavanje prvi je uveo L. Magnus 1831. g.

204

IX Inverzija

Dokaz: Neka je X proizvoljna tačka u unutrašnjosti kruga inverzije, različita od O, i X' njena slika u toj inverziji. Tada je OX·OX'=r2, pa kako je OXr tj. X' je spoljašnja tačka tog kruga. Slično se dokazuje i drugi deo tvrđenja. q

Na osnovu relacije OX·OX'=r2, intuitivno je jasno da ako se tačka X "približava" centru O, njena slika X' se "udaljava ka beskonačnosti". Takođe, ako je tačka X "blizu" kruga k i njena slika će biti "blizu" kruga k, samo sa njegove druge strane. Te zaključke možemo iskazati i u formalnijem obliku: •

Ako ψk:A,BaA',B' i B(O,A,B) tada je B(O,B',A').

Teorema 4. Sve invarijantne tačke inverzije su na krugu te inverzije. Dokaz: Tačka X je invarijantna ako i samo ako je OX·OX=r2 odnosno ako i samo ako tačka X pripada krugu inverzije. q Teorema 5. Ako su X i X' parovi odgovarajućih tačaka neke inverzije tada je prava XX' normalna na krug te inverzije. Dokaz: Tvrđenje neposredno sledi, jer su po definiciji X, X' i centar kruga tri kolinearne tačke. q Lema 1. Neka su O, A, B tri nekolinearne tačke i ψk inverzija u odnosu na krug k(O,r). Ako su A' i B' slike tačaka A i B u toj inverziji, tada je ∆OAB∼∆OB'A'. B' B O

A k

A'

Dokaz: Kako ψk:A,BaA',B', to je OA·OA'=OB·OB'=r2. Na osnovu toga je OA:OB'=OB:OA', pa je zbog ∠AOB≅∠B'OA' zaista ∆OAB∼∆OB'A'. q

Jasno je da inverzija nije izometrijska transformacija. Sada ćemo dokazati da inverzija ne čuva kolinearnost, tj. da se inverzijom prava ne slika u pravu. Pre toga uvedimo oznaku: ako je Φ neka figura ravni E 2 i O tačka te ravni, tada je O Φ = Φ\{O}.

205

IX Inverzija

Teorema 6. Neka je ψk inverzija u odnosu na krug k(O,r) ravni E 2 . Ako je p prava a l krug te ravni, tada: (i) ako O∈p, tada je ψk(pO)=pO;

(ii) ako O∉p, tada je ψk(p)=jO; gde je j krug koji sadrži tačku O; (iii) ako O∈l, tada je ψk(lO)=q; gde je q prava koja ne sadrži tačku O; (iv) ako O∉l, tada je ψk(l)=l' gde je l' krug koji ne sadrži tačku O. p

k

k O

p

O

O

jO

(i)

(ii)

O

O

Dokaz: (i) Ako X∈p , tada X'∈(OX pa je X'∈p . (ii) Neka je P podnožje upravne iz tačke O na pravoj p. Kako O∉p, to je P≠O, pa tačka P ima svoju sliku u inverziji ψk, označimo je sa P'. Neka je X proizvoljna tačka prave p različita od P i X'=ψk(X). Na osnovu prethodne leme je ∆OPX∼∆OX'P', pa je ∠OX'P≅∠OPX=90o. Dakle, tačka X' pripada krugu nad prečnikom OP', označimo ga sa j. Kako je X'≠O, sledi da X'∈jO. Obrnutim postupkom dokazujemo da je svaka tačka skupa jO slika neke tačke prave p, pa je zaista ψk(p)=jO. k

q

k

O

O l

O

l

(iii)

(iii) Direktna posledica (ii) jer je ψk involucija. (iv)* q

l' (iv)

206

IX Inverzija

k

X

k

X' O

O

P

P'

A'

B'

O

l'

j

A

B

X' X

l

p

Konstrukciju slika prave i kruga u nekoj inverziji možemo izvršiti na osnovu prethodne teoreme, ako najpre konstruišemo slike dve odnosno tri odgovarajuće tačke. Naravno, postupak je moguće skratiti ako prava ili krug seku krug inverzije, jer su u tom slučaju presečne tačke fiksne. Važno je napomenuti da se centar kruga inverzijom ne slika u centar (u slučaju (iv) prethodne teoreme). Sledeću teoremu navodimo bez dokaza: Teorema 7. Neka je ψk inverzija u odnosu na krug k(O,r) ravni E 2 i Φ1, Φ2 figure koje nisu disjunktne i od kojih je svaka prava ili krug te ravni. Ako je Φ'1=(Φ1O) i Φ'2=(Φ2O), tada je ugao koji određuju Φ'1, Φ'2 podudaran uglu koji određuju Φ1, Φ2. ω

ω ψk

Φ2 Φ1

Φ'1

Φ'2

Prethodna teorema može se iskazati u opštijem obliku pri čemu Φ1, 2 (ugao između dve glatke krive definiše se kao ugao između tangenti tih krivih u njihovoj presečnoj tački). Za takva preslikavanja, koja "čuvaju uglove", kažemo da su konformna preslikavanja. Inverzija je dakle jedno konformno preslikavanje. Φ2 mogu predstavljati bilo koje dve glatke krive ravni E

Primer. Neka je ψk inverzija u odnosu na krug k(O,r) i A' i B' slike nekih tačaka A i B u toj inverziji. Dokazati da je tada:

IX Inverzija

207

r2 A' B' = AB . OA ⋅ OB Rešenje: Razmotrimo dva slučaja: B' 1) Neka su tačke O, A, B B nekolinearne. Tada je, na osnovu leme O 1, ∆OAB∼∆OB'A', pa je A A' A'B':AB=OB':OA. Kako je B' slika k tačke B u inverziji ψk važi: r2 OB·OB'=r2, tj. OB'= iz čega sledi OB tražena relacija. 2) Neka su O, A, B kolinearne i neka je npr. B(O,A,B). Tada je B(O,B',A') pa je: r2 r2 (OB − OA)r2 AB ⋅ r2 A'B'=OA'-OB'= − = = . OA OB OA ⋅ OB OA ⋅ OB Naravno, u slučaju (1) duž AB iz prethodnog primera ne preslikava se u duž A'B', već u luk A'B'. Dokazana relacija samo daje vezu među dužinama duži AB i A'B'. q

9.2 Apolonijevi problemi o dodiru krugova U ovom odeljku razmatraćemo tzv. Apolonijeve59 probleme o dodiru krugova koji se mogu na elegantan način rešiti primenom inverzije. Radi se o problemima koji su sledećeg oblika: • Konstruisati krug k koji zadovoljava tri uslova od kojih je svaki jednog od oblika: (i) sadrži datu tačku; (ii) dodiruje datu pravu; (iii) dodiruje dati krug. Pretpostavlja se da su sve tačke, prave i krugovi iz pomenutih uslova u istoj ravni. Neke od tih problema sretali smo ranije. Npr: konstruisati krug koji sadrži dve date tačke i dodiruje datu pravu. Lako je zaključiti da ima deset Apolonijevih problema. Oni se obično navode sledećim redom: 59

Starogrčki matematičar Apolonije iz Perge (III-II v. pre n. e.).

208

IX Inverzija

1. Konstruisati krug koji sadrži tri date tačke. (A,B,C) 2. Konstruisati krug koji sadrži dve date tačke i dodiruje datu pravu. (A,B,p) 3. Konstruisati krug koji sadrži dve date tačke i dodiruje dati krug. (A,B,k) 4. Konstruisati krug koji sadrži datu tačku i dodiruje date dve prave. (A,p,q) 5. Konstruisati krug koji sadrži datu tačku i dodiruje datu pravu i dati krug. (A,p,k) 6. Konstruisati krug koji sadrži datu tačku i dodiruje data dva kruga. (A,k1,k2) 7. Konstruisati krug koji dodiruje date tri prave. (p,q,r) 8. Konstruisati krug koji dodiruje date dve prave i dati krug. (p,q,k) 9. Konstruisati krug koji dodiruje datu pravu i data dva kruga. (p,k1,k2) 10. Konstruisati krug koji dodiruje data tri kruga. (k1,k2,k3) Primetimo odmah da su prvi i sedmi problem trivijalni. I svi ostali problemi mogu se rešiti i bez primene inverzije. Inverzija, međutim, daje opšti metod za njihovo rešavanje. On se zasniva na činjenici da se u određenom slučaju krug inverzijom preslikava u pravu (teorema 6.(iii), iz prethodnog odeljka). Taj metod ilustrujmo na primeru petog Apolonijevog problema: i

x ' k

k A ' p

x

p

IX Inverzija

209

Neka su dakle, A tačka, p prava i k krug neke ravni i neka je x krug koji sadrži tačku A i dodiruje pravu p i krug k. Razmotrimo opšti slučaj kada ni p ni k ne sadrže tačku A. Sa i označimo krug sa centrom A i proizvoljnim poluprečnikom r. Neka je ψi inverzija u odnosu na taj krug i p', k', x' slike prave p i krugova k i x u toj inverziji. Kako A∉p,k i A∈x, na osnovu teoreme 6, iz prethodnog odeljka, p' i k' su krugovi a x' je prava. prava p i krug x imaju jednu zajedničku tačku pa to važi i za figure p' i x' tj. prava x' je tangenta kruga p'. Analogno, prava x' je tangenta kruga k'. Dakle, zadatak se svodi na konstrukciju prave x' kao zajedničke tangente krugova p' i k'. Dalje je x= ψi-1(x')= ψi (x'). Interesantno je odrediti broj rešenja u zavisnosti od položaja krugova p' i k'. To, kao i razmatranje slučaja kada A∈p ili A∈k, prepuštamo čitaocu. Odmah možemo zaključiti, da u rešavanju ovog problema nije bilo od značaja da su p i k baš prava i krug, već da su p' i k' krugovi. Ali p' i k' bi bili krugovi i u slučaju kada su npr. p i k dve prave, a A∉p,k. Dakle, četvrti i šesti Apolonijev problem rešavaju se na potpuno isti način kao i peti. Drugi i treći problem rešavaju se takođe primenom inverzije u odnosu na neki krug sa centrom A. Oba problema svode se na konstrukciju tangente iz tačke B na krug p' odnosno k'. Problemi 8, 9, 10 svode se redom na probleme 4, 5, 6. Ideja se sastoji u tome, da najpre konstruišemo koncentričan krug u odnosu na traženi, i to takav da sadrži centar datog kruga sa najmanjim poluprečnikom.

210

IX Inverzija

Zadaci 1. Neka je k krug opisan oko trougla ABC. Ako su P i Q tačke u kojima medijatrisa ivice BC seče prave AB i AC, i ψk inverzija u odnosu na krug k, dokazati da je: ψk(P)=Q. 2. Neka je A, A' par odgovarajućih tačaka inverzije ψk u odnosu na krug k. Dokazati da je odnos XA:XA' konstantan za svaku tačku X∈k. 3. Neka je ψk inverzija u odnosu na krug k. Ako se tačka X∉k slika u tačku X' tom inverzijom, dokazati da je svaki krug koji sadrži tačke X i X' ortogonalan na krugu k. 4. Neka su k i l dva kruga neke ravni. Dokazati: ψk(l)=l ⇔ k⊥l ∨ k=l. 5. Neka su A, B, C, D četiri razne kolinearne tačke i k krug nad prečnikom AB. dokazati ekvivalenciju: ψk(C)=D ⇔ H(A,B;C,D). 6. Ako su krug l i prava p inverzne figure u odnosu na neki krug k (tj. O ψk(l )=p), dokazati da je prava p potencijalna osa krugova k i l. 7. Neka su A, B, O tri nekolinearne tačke i ψk inverzija u odnosu na krug k(O,r). Ako su A' i B' slike tačaka A i B u toj inverziji, dokazati da tačke A, B, A', B' pripadaju krugu koji je ortogonalan na krugu k. 8. Neka su l(O,R) i k(S,r) opisani i upisani krug trougla ABC i l' slika kruga l u inverziji u odnosu na krug k. Dokazati da je poluprečnik kruga l' jednak r/2. 9. Neka je O centar kruga opisanog oko trougla ABC. Ako su B', C' tačke polupravih AB i AC takve da je AB·AB'=AC·AC', dokazati da je B'C'⊥AO. 10. Neka su P, Q, R tačke u kojima krug upisan u trougao ABC dodiruje njegove ivice BC, AC, AB. Ako su Q' i R' tačke polupravih PQ i PR takve da je PQ·PQ'=PR·PR', dokazati da je BC||Q'R'. 11. Dokazati uopštenu Ptolomejevu teoremu: Ako su A, B, C, D četiri komplanarne tačke, tada je AB·CD+BC·AD≥AC·BD. Jednakost važi ako i samo ako je ABCD konveksan tetivan četvorougao.

IX Inverzija

211

12. Neka su c i p duži i γ ugao euklidske ravni. Konstruisati trougao ABC čija je visina AA', tako da je AB≅c, ∠BCA≅γ i BA'·BC=p2. 13. Konstruisati krug koji sadrži date tačke A i B i dodiruje dati krug k. 14. Konstruisati krug koji sadrži datu tačku A i dodiruje date krugove k i l. 15. Konstruisati krug koji dodiruje datu pravu p i date krugove k i l. 16. Konstruisati krug koji dodiruje tri data kruga k1, k2, k3. 17. Konstruisati krug koji sadrži date tačke A i B i normalan je na dati krug k. 18. Konstruisati krug koji sadrži datu tačku A i normalan je na date krugove k i l. 19. Neka su: A tačka, p prava, k krug i ω ugao euklidske ravni. Konstruisati krug koji sadrži tačku A, dodiruje pravu p, a sa krugom k gradi ugao ω. 20. Neka je k krug opisan oko pravilnog trougla ABC. Ako je P proizvoljna tačka u ravni tog trougla, dokazati ekvivalenciju: tačka P ne pripada krugu k ako i samo ako postoji trougao čije su ivice podudarne dužima PA, PB, PC. 21. Ako su k1, k2, k3, k4 krugovi jedne ravni takvi da se: k1 i k2 dodiruju u tački A; k2 i k3 dodiruju u tački B; k3 i k4 dodiruju u tački C; k4 i k1 dodiruju u tački D; dokazati da su tačke A, B, C, D kolinearne ili konciklične. 22. Neka su k1, k2, k3, k4 krugovi jedne ravni takvi da se: k1 i k2 seku u tačkama A i A'; k2 i k3 seku u tačkama B i B'; k3 i k4 seku u tačkama C i C'; k4 i k1 seku u tačkama D i D'. Ako su tačke A, B, C, D konciklične dokazati da su tačke A', B', C', D' konciklične ili kolinearne. (Mikelova teorema o šest krugova.) 23. Neka su a, b, c0 krugovi sa prečnicima PQ, PR, RQ, pri čemu je B(P,R,Q). Ako je c0, c1, c2, ... niz krugova sa iste strane prave PQ, koji dodiruju krugove a, b i svaki u nizu dodiruje prethodni, dokazati da je

212

IX Inverzija

rastojanje centra kruga cn od prave PQ, n puta veće od prečnika tog kruga.60 24. Neka su P i Pa dodirne tačke upisanog i spolja upisanog kruga trougla ABC sa njegovom ivicom BC. Ako je A1 središte te ivice, odrediti slike tih krugova pri inverziji u odnosu na krug k(A1,A1P). 25. Dokazati da Ojlerov krug trougla dodiruje upisani krug i spolja upisane krugove tog trougla u tzv. Fojerbahovim61 tačkama tog trougla. 26. Dokazati da je tačka za koju je zbir rastojanja od temena nekog trougla minimalan, Toričelijeva tačka tog trougla.62 (v. zad. 61. kod odeljka 5.4.)

60

Ovaj problem razmatrao je Papos iz Aleksandrije (IV vek). Figuru određenu polukrugovima a, b, c0 , proučavao je Arhimed iz Sirakuze (III v. pre n. e.). 61 K. V. Fojerbah (1800-1834), nemački matematičar, dokazao je ovo tvrđenje 1822. g. 62 Svojstvo koje je dokazao francuski matematičar P. Ferma (1601-1665), zbog čega se ova tačka naziva i Fermaova tačka.

Razni zadaci

1. Izračunati uglove trougla ABC, kod koga su centri opisanog i upisanog kruga simetrični u odnosu na ivicu BC. 2. Neka su BPC, CQA, ARB trouglovi spolja konstruisani nad ivicama trougla ABC. Ako je zbir uglova, kod temena P, Q, R tih trouglova jednak 180o, dokazati da se krugovi opisani oko trouglova BPC, CQA, ARB seku u jednoj tački. 3. Neka je AA1 težišna duž trougla ABC (AB
213

214

Razni zadaci

8. Neka su AEFB, BKLC, CMNA kvadrati spolja konstruisani nad ivicama trougla ABC. Ako su P i Q temena paralelograma BFPK i CLQM, dokazati da je trougao PAQ jednakokrako-pravougli. 9. Dokazati da je zbir kvadrata svih ivica paralelograma jednak zbiru kvadrata njegovih dijagonala. 10. (i) Neka je ABCDE pravilan petougao ivice a. Izračunati dužinu ivice petougla, čija su temena određena presecima dijagonala petougla ABCDE. (ii) Dokazati da se dijagonale pravilnog petougla seku po zlatnom preseku. 11. Izračunati rastojanja centra upisanog kruga trougla od temena, u funkciji njegovih ivica. 12. Ako je P proizvoljna tačka u ravni trougla ABC, i A', B', C' tačke simetrične tački P u odnosu na središta ivica BC, AC, AB tog trougla, dokazati da su prave AA', BB', CC' konkurentne. 13. Neka je ABCD konveksan četvorougao kod koga je AD≅BC i P i Q središta ivica AB i CD. Dokazati da su: (i) uglovi koje određuje prava PQ sa pravama AD i BC podudarni; (ii) normalne projekcije ivica AD i BC na pravoj PQ podudarne sa duži MN. 14. Neka je ABCD tetivan četvorougao. Ako su HA, HB, HC, HD ortocentri trouglova BCD, ACD, ABD, ABC, dokazati da duži AHA, BHB, CHC, DHD imaju zajedničko središte. 15. Neka je P unutrašnja tačka trougla ABC i A1, B1, C1 podnožja upravnih iz te tačke na njegovim ivicama BC, AC, AB. Analogno, tačke A2, B2, C2 određene su tačkom P i trouglom A1B1C1, i tako redom; tačke An+1, Bn+1, Cn+1 određene tačkom P i trouglom AnBnCn. Koji su od trouglova A1B1C1, A2B2C2, ... slični sa trouglom ABC ? 16. Neka su A, B, C i A1, B1, C1 trojke kolinearnih tačaka neke ravni, koje nisu sve na istoj pravoj. Dokazati da su tada i tačke Z=AB1∩A1B, Y=AC1∩A1C, X=CB1∩C1B takođe kolinearne. (Paposova63 teorema) 63

Papos iz Aleksandrije (IV vek) dokazao je ovo tvrđenje u euklidskoj geometriji, koristeći podudarnost. Ta teorema može se, međutim, dokazati i bez korišćenja metrike. Ona je jedna od fundamentalnih teorema projektivne geometrije - teorije koja se razvila

Razni zadaci

215

17. Neka su A, B, C i A1, B1, C1 trojke kolinearnih tačaka neke ravni, koje nisu sve na istoj pravoj. Ako je AB1||A1B i AC1||A1C dokazati da je CB1||C1B. 18. Neka su A, B, C, D četiri razne kolinearne tačke. Dokazati da je H(A,B;C,D) akko su krugovi nad prečnicima AB i CD ortogonalni. 19. Neka su A i B tačke a l duž neke ravni. Konstruisati tačke C i D takve da je H(A,B;C,D) i CD≅l. 20. Konstruisati pravu koja seče dva data koncentrična kruga u tetivama čiji je odnos 2:1. 21. Neka su: S, Sa centri upisanog i spolja upisanog kruga koji dodiruje ivicu BC trougla ABC; P, Pa dodirne tačke tih krugova sa tom ivicom; A' podnožje visine; E presek bisektrise unutrašnjeg ugla kod temena A sa ivicom BC; L, La podnožja upravnih iz tačaka S i Sa na pravoj AA'. Dokazati: (i) H(A,E;S,Sa); (ii) H(A,A';L,La); (iii) H(A',E;P,Pa). 22. Ako su P, Pa dodirne tačke upisanog i spolja upisanog kruga koji dodiruje ivicu BC trougla ABC, sa tom ivicom i P' dijametralno suprotna tačka, tački P upisanog kruga, dokazati da su tačke A, P', Pa kolinearne. 23. Konstruisati trougao: (i) ha, r, α; (ii) ha, ta, b-c; (iii) r, b-c, ha; (iv) r, b-c, ta; (v) ha, r, a; (vi) ha, la, b-c; (vii) ha, r+ra, a. 24. Ako su k i l dva kruga neke ravni sa centrima O i S, konstruisati krug sa centrom na pravoj OS, koji je upravan na tim krugovima. 25. Ako su A, B, C, D četiri razne kolinearne tačke, konstruisati tačke X i Y takve da je H(X,Y;A,B) i H(X,Y;C,D). 26. Ako je k krug u unutrašnjosti kruga l, dokazati da postoji inverzija koja preslikava krugove k i l u dva koncentrična kruga. 27. Neka je k krug u unutrašnjosti kruga l takav da postoji niz krugova a1, a2, ... , an koji dodiruju krugove k i l, i od kojih se svaka dva susedna, u XIX veku. Na taj način, u projektivnoj geometriji, dokazao ju je francuski geometričar Ž. V Ponsele (1788-1867). U narednom zadatku dat je njen specijalni slučaj, kad su X, Y, Z tzv. beskonačno daleke tačke.

216

Razni zadaci

uključujući an i a1, dodiruju. Ako je b1 proizvoljni krug koji dodiruje k i l, i b2, ... , bn krugovi od kojih svaki dodiruje krugove k, l i prethodni u nizu, dokazati da se i bn i b1 dodiruju. (Štajnerova teorema) 28. Konstruisati trougao b, c, la. 29. Neka su k, l, j podudarni krugovi od kojih svaki dodiruje po dve ivice trougla ABC i koji se seku u tački P. Dokazati da su tačka P i centari opisanog i upisanog kruga tog trougla tri kolinearne tačke. 30. Neka su p i q dve prave, S tačka van njih i m i n dve duži neke ravni. Konstruisati krugove k i l koji se spolja dodiruju u tački S, od kojih prvi dodiruje pravu p a drugi pravu q i čiji se poluprečnici odnose kao duži m i n. 31. Dokazati da kompozicija dve inverzije u odnosu na dva koncentrična kruga predstavlja homotetiju. 32. Neka su O i S centri opisanog i upisanog kruga trougla ABC, kod koga je ∠BAC=600. Dokazati da su tačke B, C, O, S konciklične. 33. Dokazati da kompozicija neparnog broja osnih refleksija čije su ose iz jednog pramena predstavlja osnu refleksiju. Važi li obratno, tj. ako je kompozicija neparnog broja osnih refleksija osna refleksija, moraju li ose biti iz jednog pramena. 34. Ako su L i M tačke ivice AC i K tačka ivice AB trougla ABC, takve da je: BK:KA=3:2 i AM:ML:LC=3:2:1, odrediti odnos u kome prava BM deli duž KL. 35. Neka su X1 i X2 tačke ivica AB i AD, a Y1, Y2 tačke ivice CD paralelograma ABCD, takve da je: AX1:X1B=5:1, AX2:X2D=3:2, CY1:Y1Y2:Y2D=2:1:2. Neka su dalje, Z1 i Z2 tačke na dužima X1Y1 i X2Y2, takve da je X1Z1:Z1Y1=1:5 i X2Z2:Z2Y2=1:1. Izraziti vektor Z1Z 2 kao linearnu kombinaciju vektora AB i BC . 36. Konstruisati trougao: (i) ta, γ, a:b; (ii) ta, tc, a:b; 37. Konstruisati paralelogram: (i) d1, d2, a:b; (ii) d1, α, a:b;

(iii) ta, hb, a:b.

Razni zadaci

217

38. Neka su P i Q unutrašnje tačke ugla AOB. Konstruisati tačku X na kraku AO tog ugla, takvu da poluprave XP i XQ seku krak OB u tačkama Y i Z pri čemu je XY≅XZ. 39. Ako za svake tri od n (n>3) tačaka neke ravni postoji krug poluprečnika r takav da su sve tri u njegovoj unutrašnjosti, dokazati da postoji krug istog poluprečnika takav da je svih n tačaka u njegovoj unutrašnjosti. 40. U ravni je dato n tačaka, tako da najveće rastojanje između po dve od a njih ne premašuje a. Dokazati da postoji krug poluprečnika koji 3 pokriva sve date tačke. (Jungova teorema) 41. Dokazati da se prave upravne na ivicama trougla i koje sadrže dodirne tačke spolja upisanih krugova sa tim ivicama, seku u jednoj tački. 42. Ako su Sa, Sb, Sc centri spolja upisanih krugova trougla ABC, dokazati da je krug opisan oko trougla ABC, Ojlerov krug trougla SaSbSc. 43. Ako su ABCD i AB1C1D1 kvadrati iste orijentacije neke ravni, tačke P i Q središta duži BD1 i B1D a O i S centri tih kvadrata, dokazati da je četvorougao POQS takođe kvadrat. 44. Ako su k(S,r) i ka(Sa,ra) upisani i odgovarajući spolja upisani krug trougla ABC, ivica a=BC, b=AC, c=AB i poluobima s, a E tačka preseka prave AS sa ivicom BC, dokazati: AS ASa b+c r s−a ; (ii) = . (i) = = SE SaE a ra s 45. Ako su r, ra, rb, rc poluprečnici upisanog i spolja upisanih krugova nekog trougla, dokazati da je: 1 1 1 1 + + = . ra rb rc r 46. Neka su k(A,a), l(B,b), j(C,c) krugovi od kojih se svaka dva dodiruju i koji dodiruju pravu p u tačkama A', B', C', pri čemu je B(A',C',B'). Dokazati da je tada: 1 1 1 + = . a b c

218

Razni zadaci

47. Ako su A i B dve tačke i m, n, l tri duži neke ravni, odrediti skup svih tačaka te ravni takvih da je mAX2 + nBX2 = l 2 . 48. Konstruisati četvorougao kome su ivice podudarne četirima datim dužima a, b, c, d i: (i) zbir dva naspramna ugla jednak uglu ω; (ii) duž određena središtima dve naspramne strane podudarna duži l. 49. Neka je P tačka kraćeg luka A1A2n+1 kruga opisanog oko pravilnog poligona A1A2...A2n+1. Ako je di=PAi, dokazati da je: d1+d3+...+d2n+1=d2+d4+...+d2n. 50. Ako su ta, tb, tc težišne duži i s poluobim trougla, dokazati da je: ta2 + tb2 + tc2 ≥ s2 . 51. Neka je ABCD četvorougao i neka je AB∩CD=P, BC∩AD=Q, AC∩PQ=R, BD∩PQ=S. Dokazati da je H(P,Q;R,S). 52. Neka je O tačka van pravih p i q i d duž neke ravni. Konstruisati krug sa centrom O na kome prave p i q određuju tetive čiji je zbir duž d. 53. Neka je AB=2r prečnik kruga k. Dokazati da je za proizvoljnu pravu p, koja seče taj prečnik pod uglom 45o u tački X i krug k u tačkama Y i Z, izraz XY 2 + XZ2 konstantan. 54. Ako su a i b katete, a c i hc hipotenuza i odgovarajuća visina pravouglog trougla, dokazati da je: c+hc>a+b. 55. Konstruisati kvadrat ABCD, ako su teme A i središte E ivice BC, dve date tačke. 56. Neka su P i Q tačke na kracima p i q, ugla pOq i m i n dve duži neke ravni. Konstruisati pravu l koja seče krake p i q u tačkama X i Y tako da je XP:YQ=m:n i: (i) l paralelna datoj pravoj s; (ii) XY podudarna datoj duži d. 57. Ako je P proizvoljna tačka u ravni pravougaonika ABCD, dokazati da je PA2 + PC2 = PB2 + PD2 . 58. Ako je ABCD tetivan četvorougao kod koga je BC+AD=CD, dokazati da se bisektrise unutrašnjih uglova kod temena A i B seku u tački koja pripada ivici CD.

Razni zadaci

219

59. Dokazati da je zbir rastojanja centra opisanog kruga oštrouglog trougla od njegovih ivica, jednak zbiru poluprečnika opisanog i upisanog kruga tog trougla. 60. Dokazati da je zbir rastojanja ortocentra oštrouglog trougla od njegovih temena, jednak zbiru prečnika opisanog i upisanog kruga tog trougla. 61. Ako je S presečna tačka dijagonala tetivnog četvorougla ABCD, dokazati da podnožja upravnih iz tačke S na ivicama tog četvorougla određuju temena tangentnog četvorougla. 62. Ako su P, Q, S, R središta lukova AB, BC, CD, DA kruga opisanog oko tetivnog četvorougla ABCD, na kojima nisu njegova temena, dokazati da je PR⊥QS. 63. Neka je ABCD tetivan četvorougao. Ako su SA, SB, SC, SD centri upisanih krugova trouglova BCD, ACD, ABD, ABC dokazati da je četvorougao SASBSCSD pravougaonik. 64. Ako ja H ortocentar trougla ABC, dokazati da trouglovi ABC, HBC, AHC, ABH imaju zajednički Ojlerov krug, koji dodiruje upisane krugove tih trouglova. 65. Konstruisati kvadrat ABCD, ako je dato teme A, a temena B i C pripadaju datim pravama b i c. 66. Ako prava koja sadrži teme B pravilnog šestougla ABCDEF, seče njegove dijagonale AC i CE u tačkama M i N takvim da je AM≅CN, dokazati da su duži AM i CN podudarne ivici tog šestougla. 67. Ako su E i N presečne tačke bisektrise unutrašnjeg ugla kod temena A trougla ABC sa ivicom BC i krugom opisanim oko tog trougla, dokazati da je: AB ⋅ AC AN = . AE 68. Dokazati da je za proizvoljnu tačku kruga opisanog oko pravilnog trougla ABC, izraz PA2 + PB2 + PC2 konstantan. 69. Neka su Y', Z, Y, Z' tačke jedne ravni takve da je Y'Z≅ZY≅YZ' i ∠Y'ZY≅∠ZYZ'=180o-2α>60o. Ako je A tačka te ravni za koju je A,Z÷Y'Z' i ∠Y'AZ'=3α, dokazati da tačke A, Y', Z, Y, Z' pripadaju istom krugu i da je ∠Y'AZ≅∠ZAY≅∠YAZ'=α.

220

Razni zadaci

70. Ako su X, Y, Z tačke u kojima se seku trisektrise (poluprave koje dele ugao na tri podudarna) uglova trougla ABC, dokazati da je trougao XYZ pravilan. (Morlejeva teorema64) 71. Neka su APB, CQD, ADR pravilni trouglovi spolja konstruisani nad ivicama paralelograma ABCD. Ako su O i S centri trouglova APB i CQD, dokazati da je trougao OSR pravilan. 72. Neka su A, B, C tri nekolinearne tačke neke ravni. Odrediti centar i poluprečnik inverzije koja te tačke preslikava u tačke A', B', C' takve da je trougao A'B'C': (i) pravilan, ivice podudarne datoj duži x; (ii) podudaran datom trouglu PQR. 73. Dokazati da centri kvadrata spolja konstruisanih nad ivicama proizvoljnog paralelograma, predstavljaju temena novog kvadrata. 74. Dokazati da podnožja upravnih iz temena konveksnog četvorougla na njegovim dijagonalama predstavljaju temena četvorougla sličnog polaznom. 75. Ako su A', B', C' podnožja visina trougla ABC, dokazati da se prave koje sadrže tačke A, B, C a upravne su na pravama B'C', A'C', A'B' seku u centru opisanog kruga trougla ABC. 76. Neka su M, K, N, L središta ivica AB, BC, CD, DA četvorougla ABCD. Dokazati da je: (i) AC⊥BD ⇔ MN≅KL; (ii) AC≅BD ⇔ MN⊥KL. 77. Ako su B', D', C' preseci ivica AB, AD i dijagonale AC paralelograma ABCD, sa proizvoljnim krugom koji sadrži tačku A, dokazati da je: AC ⋅ AC' = AB ⋅ AB'+ AD ⋅ AD'. 78. Ako su P i Q središta dijagonala e i f proizvoljnog četvorougla ivica a, b, c, d, dokazati da je: 4PQ2 = a2 + b2 + c2 + d2 − e2 − f 2 . (Ojlerova teorema) 64

F. Morlej (1860-1937), engleski matematičar, je otkrio ovo tvrđenje 1904 g., ali ga je publikovao dvadesetak godina kasnije. U to vreme, ta teorema je, kao zadatak, objavljena u časopisu "Educational Times". Jedno od tada predloženih rešenja bazira se na lemi iz 69. zadatka.

Razni zadaci

221

79. Neka su P, Q, R tačke pravih određenih ivicama BC, CA, AB trougla ABC. Dokazati da se prave upravne na pravama BC, CA, AB u tačkama P, Q, R, seku u jednoj tački ako i samo ako je: BP2 − PC2 + CQ2 − QA2 + AR2 − RB2 = 0. (Karnoova65 teorema) 80. Ako su ABC, A'B'C' dva trougla neke ravni takva da se upravne iz tačaka A, B, C na pravama B'C', A'C', A'B' seku u jednoj tački, dokazati da se tada i upravne iz tačaka A', B', C' na pravama BC, AC, AB seku u jednoj tački. (Takvi trouglovi zovu se ortologički trouglovi.) 81. Neka je S središte tetive PQ kruga k. Ako su AB i CD dve tetive tog kruga koje sadrže tačku S i X, Y preseci tetiva AD i BC sa tetivom PQ, dokazati da je S središte duži XY. (Teorema o leptiru66) 82. Neka su a i b dva kruga poluprečnika r=1, koji se spolja dodiruju i t njihova zajednička tangenta. Ako je c0, c1,... cn,... niz krugova koji dodiruju krugove a i b, prvi dodiruje pravu t, a svaki u nizu dodiruje prethodni. Izračunati prečnik kruga cn. 83. Ako je S centar upisanog kruga trougla ABC, P dodirna tačka tog kruga sa ivicom BC i A1 središte te ivice, dokazati da prava SA1 deli duž AP na dve podudarne duži. 84. Neka je visina ha trougla ABC iz temena A, najduža visina tog trougla i tb težišna duž koja odgovara temenu B takva da je ha≅tb. Dokazati da je ∠ABC≥60o. 85. Ako su a, b, c ivice nekog trougla takve da je a2+b2=5c2 , dokazati da su težišne duži koje odgovaraju ivicama a i b međusobno upravne. 86. Ako su APB i ACQ pravilni trouglovi spolja konstruisani nad ivicama trougla ABC a S središte pravilnog trougla iznutra konstruisanog nad ivicom BC, dokazati da je rastojanje tačke S od prave PQ dva puta manje od dužine duži PS. 87. Neka su k i l dva kruga neke ravni sa centrima O i S. Ako su ti tangente kruga k, koje seku krug l u tačkama Ai i Bi, dokazati da postoji krug koji dodiruje sve krugove opisane oko trouglova SAiBi. 65

L. Karno (1753-1823), francuski matematičar. Jedan od dokaza ove teoreme objavio je engleski matematičar V. Dž. Horner (17861837), 1815 g.

66

222

Razni zadaci

88. Ako su a, b, c ivice nekog trougla, dokazati da je rastojanje središta | b2 − c2 | . ivice a od podnožja visine na toj ivici jednako: 2a 89. Neka su A', B', C' podnožja visina trougla ABC. Dokazati da podnožja upravnih iz tačaka A', B', C' na po dve prave određene ivicama trougla, koje ne sadrže te tačke, pripadaju jednom krugu, tzv. Tejlorovom krugu67 tog trougla. 90. Neka je P proizvoljna tačka kruga opisanog oko trougla ABC i PA presečna tačka prave upravne na pravoj BC kroz tu tačku sa tim krugom. Dokazati da je prava APA paralelna sa Simsonovom pravom tog trougla u odnosu na tačku P. (v. zad. 19. kod odeljka 5.4) 91. Ako su P i Q dve tačke kruga k(O,r) opisanog oko trougla ABC i p, q Simsonove prave tog trougla u odnosu na te tačke, dokazati da je: 1 ∠pq= ∠POQ. 2 92. Ako je P proizvoljna tačka kruga opisanog oko trougla ABC, p Simsonova prava tog trougla u odnosu na tačku P i H ortocentar tog trougla, dokazati da prava p sadrži središte duži PH. 93. Ako su P i Q dve dijametralno suprotne tačke kruga opisanog oko trougla ABC i p, q Simsonove prave tog trougla u odnosu na te tačke, dokazati da su te prave upravne i da se seku na Ojlerovom krugu tog trougla. 94. Neka je ABCD tetivan četvorougao. Ako su a, b, c, d Simsonove prave tačaka A, B, C, D u odnosu na trouglove BCD, ACD, ABD, ABC redom, dokazati da se one seku u jednoj tački. 95. Neka je ABCDE petougao sa pravim uglovima kod temena A i D. Ako se medijatrise ivica EA, BC, DE (prave p, q, r) seku u tački O, a medijatrise ivica AB i CD (prave x i y) seku u tački S, pri čemu tačke O, S, E pripadaju pravoj l, dokazati da je ta prava simetrala ugla xSy. 96. Ako je P unutrašnja tačka kvadrata ABCD takva da je PA:PB:PC=1:2:3, izračunati meru ugla APB. 97. Dokazati da ne postoje rotacije sa raznim centrima, koje preslikavaju neku ograničenu figuru u sebe. 67

B. Tejlor (1685-1731), engleski matematičar.

Razni zadaci

223

98. Neka je Φ ograničena fugura. Dokazati da su jedine moguće izometrije koje preslikavaju figuru Φ u sebe: koincidencija, rotacije sa istim centrom i osne refleksije čije ose sadrže taj centar. 99. Neka su O i H centar opisanog kruga i ortocentar trougla ABC. Ako je H'=SO(H), a T1 težište trougla H'BC, dokazati da su tačke A, O, T1 kolinearne i odrediti AO:OT1. 100. Ako su A, B, C, D tačke neke ravni koje nisu sve na istom krugu, niti sve na istoj pravoj, dokazati da postoje krugovi k i l koji nemaju zajedničkih tačaka, i od kojih prvi sadrži tačke A i B a drugi tačke C i D. 101. Neka su ABC i A'B'C' jednakokraki trouglovi iste orijentacije sa osnovama BC i B'C' i neka je ∠BAC≅∠B'A'C'≅α. Ako su A0, B0, C0 središta duži AA', BB', CC', dokazati da je trougao A0B0C0 sličan sa trouglovima ABC i A'B'C'. 102. Neka su A1A2...An i B1B2...Bn pravilni isto orijentisani n-touglovi neke ravni. Ako su S1, S2, ..., Sn središta duži A1B1, A2B2, ..., AnBn, dokazati da je n-tougao S1S2...Sn takođe pravilan. 103. Konstruisati krug koji je normalan na dva data kruga, a treći dati krug seče u dijametralno suprotnim tačkama. 104. Neka su k(O,R) i l(S,r) krugovi koji se iznutra dodiruju, pri čemu je R=2r, i P tačka kruga l. Odrediti "putanju" tačke P ako se krug l "kreće" po krugu k, bez "klizanja"68. 105. Neka je ST prečnik kruga k, t tangenta tog kruga u tački T i PQ i PR tangente tog kruga u tačkama Q i R. Ako su P', Q', R' preseci polupravih SP, SQ, SR sa pravom t, dokazati da je P' središte duži Q'R'. 106. Neka su A, B, C tri tačke za koje je B(A,B,C) i k, l, j krugovi nad prečnicima AB, BC, AC. Ako proizvoljna prava, koja sadrži tačku B, seče krugove k i l u tačkama K i L, a krug j u tačkama P i Q, pri čemu je B(P,K,B), dokazati da je PK≅LQ. 107. Ako je S presečna tačka dijagonala AC i BD konveksnog četvorougla ABCD, a P i Q centri opisanih krugova oko trouglova ASB i CSD, dokazati da je AB + CD ≤ 4PQ .

224

Razni zadaci

108. Neka je ABCD kvadrat i P i Q presečne tačke tangente kruga k(A,AB), u dodirnoj tački T, sa njegovim ivicama BC i CD. Ako prave AP i AQ seku dijagonalu BD u tačkama R i S, dokazati: (i) da se prave PS, QR, AT seku u jednoj tački; (ii) da su tačke P, C, Q, S, R konciklične. 109. Neka su P, Q, R centri spolja konstruisanih pravilnih trouglova nad ivicama BC, AC, AB trougla ABC, a P', Q', R' analogno, centri iznutra konstruisanih pravilnih trouglova i tačke Y i A1 središta duži PR i BC. Dokazati: (i) trouglovi PQR i P'Q'R' su pravilni (tzv. spoljašnji i unutrašnji Napoleonovi trouglovi, v. zad. 32. glava VII) ili se specijalno neke od tačaka P', Q', R' poklapaju; (ii) trouglovi QP'C i RBP' slični su sa trouglom ABC; (iii) četvorouglovi ARP'Q i CP'RQ' su paralelogrami; 1 (iv) YA1 = AQ . 2 110. Dokazati da spoljašnji i unutrašnji Napoleonov trougao nekog trougla ABC imaju isti centar, koji je ujedno težište trougla ABC. 111. Neka je ABCD proizvoljan četvorougao. Dokazati da se ravan može "prekriti" četvorouglovima, podudarnim sa datim četvorouglom ABCD, tako da se u svakom temenu sustiče njih četiri. 112. Neka je t zajednička spoljašnja tangenta krugova k i l koji se dodiruju u tački A, i c0, c1, c2, ..., cn, ... niz krugova koji dodiruju krugove k i l, ako svaki u nizu dodiruje prethodni, a c0 dodiruje i pravu t. Dokazati da postoji krug (ili prava) koji je normalan na svaki od krugova u datom nizu. 113. Neka je ABCD tangentni i tetivan četvorougao. Ako su P, Q, R, S dodirne tačke ivica AB, BC, CD, DA redom sa krugom upisanim u taj četvorougao, dokazati da je PR⊥QS. 114. Ako su a, b, c, d ivice, e i f dijagonale nekog četvorougla, a x duž određena središtima ivica b i d, dokazati da je: 1 x2 = (a2 + c2 − b2 − d 2 + e2 + f 2 ). 4 68

Ovaj problem rešio je poljski astronom N. Kopernik (1473-1543).

Rešenja zadataka

Glava II 2.29. Dokaz ćemo izvršiti indukcijom po n. Neka je najpre n=4, i:

Φ3

P4∈Φ1∩ Φ2∩ Φ3; P3∈Φ1∩ Φ2∩ Φ4;

P

P P4

P2∈Φ1∩ Φ3∩ Φ4; P1∈Φ2∩ Φ3∩ Φ4. Razmotrićemo samo dva, od više mogućih slučajeva (dokaz u ostalim slučajevima je sličan):

P3

Φ1

Φ2

Φ4

zad. 2.29

1) Četvorougao koji određuju tačke P1, P2, P3, P4 je nekonveksan; tada je neka od tačaka P1, P2, P3, P4 unutrašnja tačka trougla koje određuju preostale tri tačke. Ne umanjujući opštost neka je P4 unutrašnja tačka trougla P1P2P3. Temena tog trougla pripadaju figuri Φ4, pa kako je ona konveksna, njoj pripadaju i sve ivice i unutrašnje tačke tog trougla, pa i tačka P4. Dakle, u ovom slučaju tačka P4 pripada figurama Φ1, Φ2, Φ3, Φ4. 2) Četvorougao koji određuju tačke P1, P2, P3, P4 je konveksan. Ne umanjujući opštost neka su njegove dijagonale P1P3 i P2P4. Date figure su konveksne, pa [P1P3]⊂Φ2, Φ4 i [P2P4]⊂Φ1, Φ3. Kako je četvorougao konveksan, njegove dijagonale se seku u nekoj tački S koja pripada figurama Φ1, Φ2, Φ3, Φ4. Pretpostavimo sada da tvrđenje važi za n=k. Dokažimo da ono tada važi i za n=k+1. Neka su figure Φ1, Φ2, ... , Φk-1, Φk, Φk+1 takve da svake tri od njih imaju bar jednu zajedničku tačku. Neka je Φ'=Φk∩Φk+1. Dokažimo najpre da svake tri od k figura Φ1, Φ2, ... , Φk-1, Φ' imaju zajedničku tačku. Za trojke među figurama Φ1, Φ2, ... , Φk-1 to je jasno po pretpostavci. Ne

225

226

Rešenja zadataka

umanjujući opštost, dovoljno je još dokazati da figure Φ1, Φ2, Φ'=Φk∩Φk+1 imaju zajedničku tačku. To važi, na osnovu dokazanog slučaja za n=4, jer svake tri od figura Φ1, Φ2, Φk, Φk+1 imaju zajedničku tačku. Sada, na osnovu indukcijske hipoteze, zaključujemo da figure Φ1, Φ2, ... , Φk-1, Φ' imaju zajedničku tačku, pa ta tačka pripada i figurama Φ1, Φ2, ... , Φk1, Φk, Φk+1.

2.30. Neka su β1, β2, ... βn poluravni, određene poluravnima α1, α2, ... αn, kao njihove dopune do ravni α. Pretpostavimo suprotno, da nikoje tri od poluravni α1, α2, ... αn ne prekrivaju ravan α. To bi značilo da za svake tri od njih postoji tačka ravni α, koja im ne pripada; odnosno da za svake tri od poluravni β1, β2, ... βn postoji tačka ravni α, koja im pripada. Kako su poluravni konveksne figure, na osnovu Helijeve teoreme (v. zad. 2.29), postoji neka tačka X koja pripada svim poluravnima β1, β2, ... βn. Ta tačka pripada ravni α, a ne pripada ni jednoj od poluravni α1, α2, ... αn. To je kontradikcija sa pretpostavkom, pa zaista postoje tri od poluravni α1, α2, ... αn, koje prekrivaju ravan α.

Glava III C'

⇐. Neka je C ∠BAC>∠B'A'C'. Tada postoji E C" poluprava l, unutar ugla BAC, tako da je ∠BA,l≅∠B'A'C'. Sa A' B C" označimo tačku poluprave l, l za koju je AC"≅A'C'. Tada su, B na osnovu stava SUS, trouglovi A zad. 3.7.4 ABC" i A'B'C' podudarni, pa je BC"≅B'C'. Dovoljno je, dakle, dokazati da je BC>BC". Ako je C" tačka ivice BC, to je trivijalno ispunjeno. Pretpostavimo da tačka C" ne pripada ivici BC. Neka je E presečna tačka bisektrise ugla CAC" sa ivicom BC. Na osnovu stava SUS, podudarni su i trouglovi ACE i AC"E, pa je CE≅C"E. Sada je:

3.7.4.

BC=BE+EC=BE+EC">BC"=B'C'. ⇒. Neka je BC>B'C'. Ne može biti ∠BAC≅∠B'A'C', jer bi tada, na osnovu stava SUS, trouglovi ABC i A'B'C' bili podudarni, pa i BC≅B'C'.

Rešenja zadataka

227

Ako bi bilo ∠BAC<∠B'A'C', na osnovu prethodno dokazanog sledilo bi B'C'>BC. Dakle, mora biti ∠BAC>∠B'A'C'.

3.11. ∠ACB= 45°. 3.21. Neka je N presečna tačka pravih AM i BC. Kako je M unutrašnja tačka trougla ABC, mora biti B(A,M,N) i B(C,N,B). Tada, koristeći teoremu o nejednakosti trougla, dobijamo: AM+MB
C A M

N

N M

A

B

S

B

zad. 3.21

C zad. 3.27

3.22. Za drugu nejednakost koristiti zad. 3.21. 3.27. Neka je S središte dijagonale AC četvorougla ABCD. Tada koristeći teoreme o srednjoj liniji i nejednakosti trougla dobijamo: BC+AD=2MS+2SN=2(MS+SN)≤2MN. Jednakost važi u slučaju kada su tačke M, S, N kolinearne, odnosno kada je četvorougao ABCD trapez, sa osnovicom BC.

3.29. Koristiti nejednakosti: ha≤b, ha≤c, hb≤a, hb≤c, hc≤a, hc≤b. 3.33. Neka su X i Y preseci prave AA', sa normalama na prave CL i BP iz tačaka B i C redom. Dokažimo da je X=Y. Trouglovi BLC i ABX su podudarni jer je: BL≅AB i ∠BLC≅∠ABX, ∠BCL≅∠AXB, kao uglovi sa normalnim kracima. Na osnovu toga je AX≅BC. Analogno su i trouglovi CPB i ACY podudarni pa je i AY≅BC. Dakle važi AX≅AY, odnosno X=Y. Sada prave AA', BP, CL sadrže visine trougla XBC, pa se seku u jednoj tački.

228

Rešenja zadataka

E

X=Y A

Q K A P L

D B

A' zad. 3.33

S

C

B

C

zad. 3.38

3.38 Neka je AD najduža dijagonala petougla ABCD. Dokažimo da su AD, AC, BD tražene dijagonale, tj. one za koje postoji trougao čije su ivice sa njima podudarne. Kako je AD veće od AC i BD dovoljno je dokazati da je AC+BD>AD. Petougao ABCD je konveksan, pa se njegove dijagonale AC i BD seku u nekoj tački S. Tada je: AC+BD>AS+SD>AD.

3.41 Neka je tačka S središte duži A'B. Tada su CS i DS srednje linije 1 1 trouglova A'AB i BA'B', pa je CS= AB=CD= A'B'=DS, odnosno trougao 2 2 SCD je pravilan. Dakle, ∠AB,A'B'≅∠CSD, kao uglovi sa paralelnim kracima, pa je ∠AB,A'B'=60o. A'

K

D

C L

S

C

S H

B

Q

D B

A zad. 3.41

P

B

A zad. 3.48

3.48 Neka je tačka P podnožje upravne iz tačke S na ivici BC pravougaonika ABCD. Tada je tačka H=BL∩SP ortocentar trougla CSB. Zbog toga je CH⊥SB. Dalje, SH je srednja linija trougla LAB, pa je:

Rešenja zadataka

229

1 SH= AB=KC; SH||AB||KC. 2 Prema tome, četvorougao SHCK je paralelogram pa, kako je CH⊥SB, mora biti i KS⊥SB.

3.51. Neka je O centar i AB jedna ivica jednog od pravilnih n-touglova, kojih se po m sustiče u svakom temenu. Sa P označimo središte ivice AB. Kako je polazni n-tougao pravilan, uglovi kod temena O i P trougla OPB 360° su redom i 90°. Po pretpostavci se oko temena B sustiče m takvih n2n 360° . Tada je: touglova, pa je ugao kod temena B, trougla OPB jednak 2m 180° 180° 1 1 1 + = 90°, odnosno + = , tj. nm − 2n − 2m = 0 ili: n m n m 2 (n − 2)(m − 2) = 4. O

A

P

B

( 3 ,6 )

( 4 ,4 )

( 6 ,3 )

zad. 3.51

Kako su n i m prirodni brojevi veći od 2, jedina takva rešenja prethodne jednačine su: (4,4), (3,6), (6,3). A

3.53. ⇒. Iz AB≅AC, sledi ∠ABC≅∠ACB,

zatim ∠B'BC≅∠C'CB, pa, na osnovu stava SUS, ∆B'BC≅∆C'CB, i konačno BB'≅CC'.

D S

p

E B'

C' ⇐. Pretpostavimo suprotno, tj. da nije AB≅AC. Ne umanjujući opštost neka je AB
230

Rešenja zadataka

su trouglovi BDB' i CEC', a na osnovu toga i uglovi BDB' i CEC'. Na osnovu Pašove aksiome, primenjene na trougao AC'E i pravu BD, prava BD seče duž C'E u nekoj tački S. U trouglu SDE, ugao SEC je spoljašnji pa ne može biti podudaran nesusednom unutrašnjem uglu SDE. Dakle, ne može biti AB
3.54. Neka je trougao PQR pravilan. Tačka Q je središte hipotenuze AC pravouglog trougla APC, pa je QA≅QC≅QP. Kako je tada i QR≅QA≅QC, i ugao ARC je prav, pa iz podudarnosti trouglova ACR i BCR, zaključujemo da je tačka R središte ivice AB, kao i da je AC≅BC. I konačno, tačka R je središte hipotenuze AB, pravouglog trougla APB, pa je: AB=2PR=2PQ=2AQ=AC. C

D

A

K Q

R

B

A

B

G

P zad. 3.54

C

E zad. 3.55

F

3.55. Trouglovi CAE i FBE su podudarni (CE≅FE, AE≅BE,

∠AEC≅∠BEF), pa je ugao EBF prav, odnosno tačke D, B, F su kolinearne. Iz podudarnosti trouglova sledi i BF≅AC≅BD.

3.57 Pretpostavimo suprotno, da prava l0 sadrži bar tri razne tačke A, B,

C iz skupa P. Tada prava q=P0C (q≠l0 jer P0∉l0) pripada skupu L. Označimo sa P'0 podnožje upravne iz tačke P0, na pravoj l0. Ukoliko se tačka P'0 razlikuje od tačaka A, B, C, tada su bar dve od tih triju tačaka (neka su to B i C) sa iste strane tačke P'0. Ne umanjujući opštost neka je B(P0,B,C). Neka je B' podnožje upravne iz tačke B, na pravoj q. Lako se dokazuje da bi tada važilo: d(B,q)=BB'
Rešenja zadataka

231

Poslednja relacija je u suprotnosti sa pretpostavkom, pa prava l0 sadrži tačno dve tačke. U slučaju da je npr. B=P0, dokaz izvodimo na isti način. P0 q P0

B' l0 A

P'0

B

C

l0 zad. 3.58

zad. 3.57

3.58 Formirajmo skup pravih L kao u prethodnom primeru (v. zad 3.57), kao skup svih pravih od kojih svaka sadrži bar dve tačke skupa P. Kako je skup P konačan, to je i skup L konačan, pa onda i skup rastojanja: D={d(P,l) | P∈ P, l∈L, P∉l}

Kako je konačan, skup D ima svoj minimalni element d(P0,l0) (od kojeg nijedan iz D nije manji), koji se dostiže za neku tačku P0∈ P i neku pravu L0∈ L. Na osnovu zad. 3.57, prava l0 sadrži tačno dve tačke skupa P.

Glava IV 4.2.7. Na osnovu zad. 4.2.2 je:

C

N

B

P

1 XY = ( MQ + PN ) 2 1 1 1 1 = ( ( AE + BD) + DB) = AE . 2 2 2 4

4.3.7. Neka su T i T1 težišta trouglova MNP i ABC. Tada, na osnovu zad. 4.3.4, sledi: 1 OT1 = (OA + OB + OC ) 3

X

Y

D

M Q

A

zad. 4.2.7

E

232

Rešenja zadataka

1 1 1 1 = ( (OM + ON ) + (ON + OP) + (OP + OM )) 3 3 3 3 =

2 2 (OM + ON + OP) = OT , 9 3

pa su tačke O, T1, T kolinearne, a važi i

OT1 2 = . T1T 1

P A D C

T

F

B

O

T

O A N

M zad. 4.3.7

B

E

C

zad. 4.3.11

4.3.11. Dovoljno je vektor BF izraziti pomoću vektora BA i BC jer je: OF = OB + BF . Na osnovu primera, iz odeljka 4.3, je: BF = λ BD + (1 − λ ) BC = λ

n BA + (1 − λ ) BC i n+m

BF = µ BA + (1 − µ) BE = µ BA +

m (1 − µ) BC ; m+m

za neke realne λ i µ, koje, izjednačavajući desne strane prethodnih jednakosti, možemo izračunati (dovoljno je izračunati npr. λ).

Rešenja zadataka

233

r

r

4.3.13. Neka su u i v proizvoljni vektori paralelni pravama p i q i neka je S0 središte duži P0Q0, gde su P0 i Q0 redom neke tačke pravih p i q. Traženi skup tačaka je ravan α koja sadrži tačku S0, i paralelna je pravama p i q. Zaista, ako je S središte duži PQ, gde su P i Q proizvoljne tačke pravih p i q, tada je (prema zad. 4.2.2):

r P0 u

p

P

S0

S

α

Q

r v Q

r 1 1 r S0 S = ( P0 P + Q0Q) = (λu + µv ) , 2 2

q

zad. 4.3.13

r r pa je vektor S0 S paralelan sa vektorima u i v , tj. tačka S pripada ravni α. r Analogno svaka tačka X ravni α je odgovarajuća kombinacija vektora u i r v , pa je X središte neke duži čije su krajnje tačke na pravama p i q.

4.4.4. (i) Dokazati da zbirni vektor u isto vreme mora biti pravca npr. OA1 i OA2.

4.4.6. Dovoljno je dokazati da su tri uzastopna središta kolinearne tačke. Ne umanjujući opštost, dokažimo da su tačke S1, S2, S3 kolinearne. Neka je: A1 A2 B1B2 = =λ A2 A3 B2 B3 Tada je:

A1

A3

S1

1 S 2 S3 = ( A2 A3 + B2 B3 ) 2 λ 1 = (λ A1 A2 + λ B1B2 ) = S1S 2 2 2

A2

p

S3

S2 B1 B2 zad. 4.4.6

B3

q

pa su tačke S1, S2, S3 zaista kolinearne.

4.4.11. Ako je tačka R središte duži QC, dokazati da je AQ:QR:RC=1:1:1.

234

Rešenja zadataka

4.4.16. Primeniti Hamiltonovu teoremu na trougao ABC.

A k

4.4.19. Neka je A1 središte ivice BC trougla ABC. Na osnovu teoreme iz odeljka 4.4, je AH=2OA1. Kako je OA=OC sledi da je u pravouglom trouglu OA1C, OC=2OA1, pa je ∠A1OC=60o, a onda i ∠BAC=60o.

O H B

A

4.4.20.

Pomoću Talesove teoreme odrediti najpre BE:EC, a zatim koristiti primer iz odeljka 4.3.

C

zad. 4.4.19

Glava V 5.14. Neka je H ortocentar trougla ABC, k krug opisan oko trougla ABC i H' druga presečna tačka kruga k sa pravom određenom visinom AA'. Dokažimo da je H' simetrična tačka, tački H, u odnosu na pravu BC. Dovoljno je dokazati da je HA'≅H'A'. Uglovi BH'A i BCA su podudarni kao periferijski uglovi nad tetivom AB, a uglovi BCA i BHA' podudarni kao uglovi sa normalnim kracima. Dakle, podudarni su i uglovi BH'A' i BHA', a na osnovu toga i trouglovi BH'A' i BHA', pa je zaista H'A'≅HA'. A

A k B' H H

B

A'

C

B H

C k'

H zad. 5.14

zad. 5.15

Rešenja zadataka

235

5.15. Neka je H ortocentar trougla ABC. Na osnovu zad. 5.14, tačka H', koja je simetrična tački H u odnosu na pravu BC, pripada krugu k, opisanom oko trougla ABC. Tada je k krug opisan i oko trougla BH'C, pa je simetričan krugu opisanom oko trougla BHC, i njemu podudaran.

5.19. Neka je S proizvoljna tačka kruga k opisanog oko trougla ABC, i P, Q, R podnožja upravnih iz te tačke na pravama BC, AC, AB. Ne umanjujući opštost pretpostavimo da je B(B,P,C), B(A,Q,C), B(A,B,R). Tada su tačke Q i R sa raznih strana prave BC, pa je dovoljno dokazati da je ∠BPR≅∠CPQ. Četvorouglovi BRSP, ABSC, ARSQ, SPQC su tetivni pa je:

A

α

Q P B R

C S zad. 5.19

∠BPR=∠BSR=∠RSC-∠BSC =∠RSC-(180o-∠BAC) = ∠RSC-∠RSQ=∠CSQ=∠CPQ.

5.20. α=14° . 5.27. Dokazati da duži O1A1, O2A2, O3A3 imaju zajedničko središte, tj. da su odgovarajući četvorouglovi paralelogrami.

5.30. Neka su C' i D' tačke na polupravama AC i AD, takve da je CC'≅CB≅CA, DD'≅DB i B(A,C,C'), B(A,D,D'). Trouglovi C'CB i D'DB su jednakokraki, pa koristeći odnos spoljašnjeg ugla prema nesusednim unutrašnjim uglovima tih trouglova, dobijamo:

l'

C' C l

A

D'

D B

1 ∠CC'B≅∠CBC'= ∠ACB, 2 1 ∠DD'B≅∠DBD'= ∠ADB. zad. 5.30 2 Kako su uglovi ACB i ADB podudarni, kao periferijski uglovi, podudarni su i uglovi AC'B i AD'B, pa tačke C' i D' pripadaju odgovarajućem luku l', nad tetivom AB. Kako je CC'≅CB≅CA, AC' je prečnik kruga koji sadrži

236

Rešenja zadataka

luk l', pa je ugao AD'C' prav. Duž AC' je, dakle, hipotenuza pravouglog trougla AD'C', pa je: AC+CB=AC'>AD'=AD+DB. D

5.34. Neka je H ortocentar trougla ACD. Kako je AC⊥BD, tačka H pripada dijagonali BD. Na osnovu teoreme iz 1 odeljka 4.4 je OM = HC. Kako je, 2 A međutim:

M

H O C

∠CBH≅∠CAD≅∠CHB, sledi HC≅BC, odnosno OM =

B zad. 5.34

1 BC . 2

5.35. Trougao BNS je jednakokraki, jer su uglovi kod temena B i S podudarni. Zaista: ∠BSN=∠ABS+∠BAS=α/2+β/2 ∠SBN=∠SBC+∠CBN =∠SBC+∠CAN= β/2+α/2 Dakle, NB≅NS, a analogno je i NC≅NS.

A α/2 β/2

B

S

C

Iz poslednjeg je tačka N centar kruga koji sadrži tačke S, B, C. Ako je X tačka N zad. 6.35 simetrična tački S u odnosu na N, tada je ugao SBX prav, pa je BX bisektrisa spoljašnjeg ugla kod temena B, trougla ABC, iz čega sledi da je X centar spolja upisanog kruga tog trougla, koji dodiruje ivicu BC.

Rešenja zadataka

237

5.36. (i) Neka je L presečna tačka pravih A AP i QR. Na osnovu primera 1 iz odeljka F 5.2, tačke P, Q, R pripadaju bisektrisama E L AS, BS, CS unutrašnjih uglova trougla R ABC. Ako sa α, β, γ označimo uglove trougla ABC, tada, koristeći podudarnost S odgovarajućih periferijskih uglova, B dobijamo:

Q

C

∠RPL=∠RPA=∠RCA=γ/2, ∠PRL=∠PRQ=∠PRC+∠CRQ

P zad. 6.36

=∠PAC+∠CBQ=α/2+β/2. Dakle zbir uglova u trouglu PRL je: α/2+β/2+ γ/2+∠RLP=90°+∠RPL, pa je ∠RPL=90°, odnosno AP⊥QR.

(ii) Na osnovu zad. 5.35, je RA≅RS, pa, iz podudarnosti trouglova ALR i SLR, sledi da je tačka L središte dijagonale AS. Iz podudarnosti trouglova AEL i AFL, zaključujemo da je tačka L središte i dijagonale EF, pa je AESF paralelogram. Kako su te dijagonale upravne, taj četvorougao je romb.

5.40. Ako je O centar kruga k, dokazati da je ugao OXT prav. 5.43. Dužine poluprečnika su 4, 2, 11. 5.45. Vidi rešenje zad. 11.62. 5.54. Dokazati da je taj krug upisan u trougao, čija su temena centri data tri kruga.

238

Rešenja zadataka

5.59. Označimo sa k, l, j, o krugove opisane oko trouglova OBC, OAC, OAB, ABC i P proizvoljna tačka kruga k za koju je O,P÷BC. Po pretpostavci krugovi k, l, j su istog poluprečnika r. Uglovi BAO i BCO su podudarni jer su periferijski uglovi podudarnih krugova k i j, za tetivu BO. Analogno, podudarni su i uglovi CAO, CBO. Na osnovu toga je:

j

A

o l

O B

C

P

∠BAC=∠BAO+∠CAO

k

=∠BCO+∠CBO=180o-∠BOC=∠BPC.

zad. 5.59

Dakle krugovi k i o imaju podudarne periferijske uglove za zajedničku tetivu BC, pa su međusobno podudarni. F

5.61. (i) Trouglovi AEC i FBC su podudarni (AC≅FC, CE≅CB, ∠ACE≅∠FCB=∠ACB+60o), pa je AE≅BF. Analogno je i AE≅CD. (ii) Neka su k, l, j krugovi opisani oko trouglova BCE, ACF, ABD. Dokažimo da se ti krugovi seku u jednoj tački. Sa P označimo drugu presečnu tačku (P≠C) krugova k i l. Tada uglovi BPC i APC imaju meru 120o, pa onda i ugao APB. Dakle, četvorougao ADBP je tetivan, pa tačka P pripada i krugu j.

j

A

D P

l C

B k

E zad. 5.61

Dokažimo da svaka od duži AE, BF, CD sadrži tačku P. Iz jednakosti odgovarajućih periferijskih uglova imamo: ∠APE=∠APF+∠FPC+∠CPE=∠ACF+∠FAC+∠CBE=3·60o=180o. Prema tome tačke A, P, E su kolinearne tačke, pa tačka P pripada duži AE, a analogno i dužima BF i CD. Takođe je:

Rešenja zadataka

239

∠AE,BF≅∠APF≅∠ACF=60o.

Rb Sb Q

M Q

Sc

Pc

M A

R Rc B N'

S

Q

O A1

P

Pa

C

Pb Q

N Ra zad. 5.63 Sc 5.63. (i) Koristeći jednakost tangentih duži dobijamo:

1 1 AQa=ARa= (AQa+ARa)= (AB+BRa+AC+CQa) 2 2 1 1 = (AB+BPa+AC+CPa)= (AB+BC+AC)=s. 2 2 (ii) Analogno kao u prethodnom slučaju. (iii) QQa=AQa-AQ=a. (iv) Izračunati najpre BP i CPa=CQa. (v) PbPc=CPc+BPb-a=2s-a=b+c. (vi) Sledi iz BP=CPa=s-b. (vii) Tačke A1 i N su središta dijagonala trapeza SPSaPa sa osnovama SP=r i SaPa=ra. (viii) Prave NA i ScSb su upravne kao simetrale unutrašnjeg i spoljašnjeg ugla kod temena A, pa tačka M pripada pravoj ScSb. Sada tražena

240

Rešenja zadataka

jednakost sledi iz činjenice da je duž A1M je srednja linija trapeza ScRcRbSb. (ix) Sledi direktno iz 2R=NM=NA1+A1M i (vii), (viii). (x) NN' je srednja linija trapeza SRRaSa. (xi) Tačke M i M' su središta dijagonala trapeza RcScRbSb sa osnovama RcSc=rc i RbRb=rb. (xii) Tačka N je središte duži RRa, pa je: 1 1 1 N'B=AN'-AB= (ARa+AR)-c= (s+(s-a))-c= (b-c). 2 2 2 (xiii), (xiv) Direktno iz prethodno dokazane jednakosti.

Glava VI 6.20. Konstrukciju četvorougla ABCD svesti na konstrukciju trougla ABD, a zatim koristiti zad. 6.1 (xx).

6.22. Koristiti zad. 5.55. 6.24. Kako su uglovi PAS i QCR pravi, temena A i B pripadaju krugovima k i l nad prečnicima PS i QR redom. Dijagonala AC, kvadrata ABCD, je simetrala pomenutih uglova, pa sadrži središta N i M odgovarajućih polukrugova određenih sa k i l (v. primer 1 iz odeljka 5.2). l D

R

k C

D C

l

S

N M

Q

k A

P zad. 6.24

B

A

B zad. 6.29

Rešenja zadataka

241

Konstrukcija se, dakle, svodi najpre na konstrukciju krugova k i l, a zatim prave NM i temena A i B.

6.29. Neka je AB
zaključujemo da je: ∠ADC=180o-∠ABC, a iz njegove tangentnosti da je: AD+BC=AB+CD, odnosno: CD-AD=BC-AB. Sada se konstrukcija četvorougla ABCD svodi na konstrukciju trougla ADC, koji je moguće konstruisati (v. zad 6.1 (ii)).

6.30. Koristiti zad. 5.63. Glava VII 7.6.6. Neka su p i q te dve ose simetrija figure Φ. Dokažimo da je p⊥q. Zaista kako je Sp(Φ)=Sq(Φ)=Φ, na osnovu teoreme o transmutaciji mora biti i: SS p (q ) (Φ) = Sq o Sq o S p−1(Φ) = Φ .

Međutim, p i q su jedine ose simetrije figure Φ, pa prava Sp(q) mora biti jedna od njih. U oba slučaja sledi da je p=q ili p⊥q, ali prva mogućnost otpada jer su p i q po pretpostavci različite. Dakle, prave p i q su upravne i seku se u nekoj tački S, pa je:

Φ

S

p

q zad. 7.6.6

SS(Φ)= Sq o S p (Φ)=Sq(Sp(Φ))=Φ.

7.9. Neka je

T = S y o S r o S q o S x o S p . Izometrija T je indirektna, i ima

fiksnu tačku E, pa predstavlja neku osnu refleksiju Sl. Kako je ugao EAB prav, medijatrise p i x su upravne, pa osne refleksije Sp i Sx komutiraju. Dakle, važi: T = Sl = S y o S r o S q o S x o S p = Sy o (Sr o Sq o S p ) o S x .

Prave p, q, r pripadaju jednom pramenu (sadrže tačku O), pa kompozicija Sr o Sq o S p predstavlja neku osnu refleksiju St, pri čemu osa t takođe sadrži tačku O. Prema tome, važi Sl = Sy o St o S x , pa prave x, t, y pripadaju jednom pramenu, odnosno prava t sadrži i tačku S, pa je t=OS. Dakle, važi:

242

Rešenja zadataka

SOS = St = Sr o Sq o S p .

Neka su p, q, r medijatrise ivica KL, LM, MK trougla KLM. Tada je: SOS (K) = Sr o Sq o S p (K) = K , pa tačka K, zaista, pripada pravoj OS. F'

C q

M r t

O K

S

B'

L

D

B

C

x

y E

A

p

A

E zad. 7.12

zad. 7.9

B

F

7.12. Neka je F'=SCD(F) i B'=SCD(B). Tada je DF'≅DF i ∠DF'F≅∠DFF'. Iz podudarnosti trouglova DAF i F'B'B je DF≅F'B i ∠DFA≅∠B'BF', a takođe važi i ∠FF'B≅∠B'BF'. Sada je: ∠DF'B=∠DF'F+∠FF'B=∠DFF'+∠DFA=∠AFF'=90o. Kako je DF'≅F'B, trougao DF'B je jednakokrako-pravougli pa je: ∠DBF'=45o=∠AED. Dakle: ∠AED+∠AFD+∠ABD=∠DBF'+∠F'BB'+∠ABD=∠ABC=90o.

7.14. Neka je A'=Sp(A), A"=Sq(A) i B i C presečne tačke prave A'A" sa pravama p i q. Tada je ABC traženi trougao. Zaista ako su B1 i C1 proizvoljne tačke na pravama p i q, obim trougla AB1C1 jednak je dužini poligonalne linije A'B1C1A" a obim trougla ABC jednak je dužini duži A'A", pa je obim trougla ABC manji od obima trougla AB1C1. C B1

A

A "

C

Q Z

B

X'

X

Y

R

q

A' p

A zad. 7.14

B

P

X zad. 7.15

C

Rešenja zadataka

243

7.15. Ako je X proizvoljna tačka ivice BC. Tada se minimalan obim trougla XYZ čija su temena Y, Z na ivicama AC i AB dobija na način koji je opisan u prethodnom zad. 7.14; tačke Y i Z se konstruišu kao presečne tačke ivica AC i AB sa pravom X'X", gde je X'=SAB(X), X"=SAC(X). Pri tome je obim trougla XYZ jednak dužini duži X'X". Dakle, ostaje da se utvrdi za koju tačku X na ivici BC je obim trougla XYZ minimalan, odnosno za koju duž X'X" ima najmanju dužinu. Iz osobina simetrije zaključujemo da je AX'≅AX≅AX" i ∠X'AX"=2∠BAC. Ugao X'AX" je konstantan, pa je na osnovu toga X'X" minimalno za slučaj kada je minimalno AX'≅AX, odnosno kada je X=P podnožje visine iz temena A. Lako se dokazuje da tada odgovarajuće tačke Q i R na ivicama AC i AB predstavljaju takođe podnožja odgovarajućih visina.

7.24. Ako je P'= R A,60 (P), trougao PP'C ima ivice podudarne dužima PA, o

PB, PC, a mere uglova tog trougla možemo izračunati. T = R B,−90 ° o RC,−90° . Kako je 90°+90° = 180°, izometrija T predstavlja centralnu simetriju SY gde je tačka Y, na osnovu teoreme 8

7.29. Neka je:

iz odeljka 7.5 , teme jednakokrako-pravouglog trougla BYC. Međutim kako je: SY(P)=T(P)=K, mora biti Y=Z. A

B1

Q C

L

P

A

K

b

C

B

P

Z

A

c C

B zad. 7.29

zad. 7.30

7.30. (i) Neka je: T = SC o R A©, o S B o R A, − . Kako je 90°+90° = 180°, 0

0

izometrija T predstavlja centralnu simetriju SQ gde je tačka Q, na osnovu teoreme 8 iz odeljka 7.5 , teme jednakokrako-pravouglog trougla C1QA1. Međutim kako je:

244

Rešenja zadataka

SQ(A)=T(A)=C, mora biti Q=P.

(ii) Rotacijom R P, 90° , duž C1C preslikava se u duž A1B1. (iii) Na osnovu prethodnog, prave AA1, BB1, CC1 sadrže visine trougla A1B1C1.

7.33. Neka je: T = R Q ,120 o R P ,120 o R R ,120 . 0

0

0

Kako je 120o+120o+120o=360o, izometrija T je koincidencija ili translacija, ali na osnovu T(A)=A, mora biti T=E. Dakle važi: RQ,120o o R P,120o o R R,120o = E , odnosno: 1 R P,120o o R R,120o = RQ−,120 . o = R Q,240 o

Pretpostavimo da je Q' treće teme pravilnog trougla PQ'R. Dokažimo da je tada Q=Q'. Zaista, tada je, na osnovu teoreme 8, iz odeljka 7.5: R P,120o o R R,120o = R Q',240o , pa je R Q,240o = R Q',240o , odnosno Q=Q'. X3

A

Q

D S

R

R

E C

B P

X4

C T

X' A

X1 P

Q X2 B

X zad. 7.33

zad. 7.39

7.39. Neka je ABCDE traženi petougao i: T = ST o S S o S R o S Q o S P .

Na osnovu zad. 7.38, izometrija T predstavlja centralnu simetriju SO. Kako je SO(A)=T(A)=A, mora biti O=A, pa je, dakle, T=SA. Tačku A sada možemo konstruisati kao središte duži XX', gde je X proizvoljna tačka, a X'= T(X).

Rešenja zadataka

245

7.49. Neka su A, B dva centra simetrije figure r

Φ.

Tada je

SA(Φ)=SB(Φ)=Φ, pa i τ vr (Φ)=SB(SA(Φ))=Φ, gde je v =2AB. Na osnovu toga

je i τ vnr (Φ)=Φ, gde je n proizvoljan prirodan broj, pa bi za proizvoljnu tačku P figure Φ i tačka P'=τ vnr (P) pripadala toj figuri. To, međutim, nije r moguće jer je Φ ograničena a PP'=n v , pa ona može imati najviše jedan centar simetrije.

7.55 Prema Šalovoj teoremi (iz odeljka 7.9) jedine indirektne izometrije su osne i klizajuće refleksije. U oba slučaja tražena prava je osa odgovarajuće osne odnosno klizajuće refleksije.

7.56. Iz uslova tvrđenja iz zadatka sledi da postoji indirektna izometrija koja preslikava trougao ABC u trougao A'B'C'. Tada su A, A'; B, B'; C, C' parovi te izometrije, pa prema teoremi Šal-Hjelmsleva (v. zad. 7.55) središta duži AA', BB', CC' pripadaju jednoj pravoj. A

B'

B

Xi

A A'

p

C s

C'

zad. 7.56

7.57. Neka je T = S p o R A,60 . Izometrija o

Yi

s zad. 7.57

T je indirektna, a tačke Xi

preslikava u tačke Yi, pa, prema teoremi Šal-Hjelmsleva (v. zad. 7.55), središta duži XiYi pripadaju jednoj pravoj.

246

Rešenja zadataka

Glava VIII M

8.7.5. Označimo sa A, B, C temena trougla, NM prečnik kruga l koji je upravan na ivici BC (A,N÷BC). Tada tačka N pripada bisektrisi unutrašnjeg ugla kod temena A, tj. polupravoj AS (v. primer 1 iz 5.2). Koristeći potenciju, a zatim zad. 5.35: p(S,l)= SO − R = SA ⋅ SN = − SA ⋅ SN 2

A l Q S

r O

k

C

B

2

= − SA ⋅ CN .

N

Ako je Q dodirna tačka kruga k sa zad. 8.7.5 ivicom AC, pravougli trouglovi AQS i MCN su slični (∠SAQ≅∠NMC), pa je: AS SQ = , pa je SO2 = R2 − SA ⋅ CN = R2 − MN ⋅ SQ = R2 − 2Rr . MN NC

8.10. Sa A' i B" označimo tačke

p

polupravih Pp i Qq, takve da je k q A PA'≅QB"≅x, gde je x proizvoljna duž. B Neka je B' jedna od presečnih tačka kruga A B' B" k(A',2x) i prave koja sadrži tačku B" i ' paralelna je sa pravom PQ, a Q' četvrto Q Q' teme paralelograma QB"B'Q'. Dakle, tačka P zad. 8.10 Q' pripada pravoj PQ i važi Q'B'≅QB"≅x, A'B'≅2x. Sa H označimo PQ ; tada je H(Q')=Q. Ako je homotetiju sa centrom P i koeficijentom PQ' H(A')=A, H(B')=B, tada po definiciji homotetije tačke A i B pripadaju polupravama Pp i Qq (B∈q jer je Q'B'||Qq). Takođe je i PA:AB:BQ= PA':A'B':B'Q'=x:2x:x=1:2:1.

8.30. Neka je S presek dijagonala četvorougla ABCD koji treba konstruisati. Primeniti Apolonijev krug i konstruisati najpre trougao ASB. 8.36. Primeniti Stjuartovu teoremu i primer 1 iz odeljka 8.5.

Rešenja zadataka

247

8.37. Iskoristiti nekoliko puta Stjuartovu teoremu. Y

8.40. Neka su X, Y, Z presečne tačke pravih BC, AC, AB sa odgovarajućim tangentama u tačkama A, B, C, kruga k, opisanog oko trougla ABC. Tada je:

k

A

p(X,k)= XB ⋅ XC = XA2 , odnosno:

BX AX2 = . XC XC2 Iz sličnosti trouglova AXB i CXA je:

X

C

B

Z

AX BA BX BA2 = , pa važi i = . XC AC XC AC2

zad. 8.40

Koristeći prethodnu i analogne relacije dobijamo: BA2 CB2 AC2 BX CY AZ BX CY AZ ⋅ ⋅ = −1, ⋅ ⋅ =− ⋅ ⋅ =− AC2 BA2 CB2 XC YA ZB XC YA ZB

pa su, na osnovu Menelajeve teoreme, tačke X, Y, Z kolinearne.

8.48. Primeniti Ptolomejevu teoremu. 8.51. Ako je t data prava i A, B date tačke, koristiti potenciju tačke P=AB∩t u odnosu na traženi krug.

8.53. Koristeći potenciju u odnosu na

A

krug k: p(B,k)=BP·BA=BE·BA1,

k

P

p(C,k)=CQ·CA=CE·CA1,

BP ⋅ BA BE = , odnosno, B CQ ⋅ CA CE koristeći primer iz odeljka 8.5, BP=CQ.

odatle je:

Q E

A1

C

zad. 8.53

8.56. Slično kao zad. 8.7.6. 8.57. Ako su centri datih krugova nekolinearne tačke, centar traženog kruga predstavlja potencijalno središte tih krugova. Ako su centri datih krugova kolinearne tačke, takav krug ne postoji (on je u tom slučaju "degerisani krug" tj. prava određena tim centrima).

248

Rešenja zadataka

8.58. v. zad. 8.6.3. 8.59. (i) Ako je ABCDE traženi pravilan petougao, na osnovu zad. 8.57 možemo konstruisati najpre trougao ABC. C

8.62. Neka je ABCD tetivan četvorougao sa ivicama podudarnim datim dužima a, b, c, d; H homotetija sa centrom A i AD , a R rotacija koeficijentom k = AB sa centrom A za orijentisani ugao α=∠BAD i P transformacija sličnosti:

D

C'

E

A

B'

B

zad. 8.62

P = R o H.

Sa B' i C' označimo slike tačaka B i C u homotetiji H. Kako je AB'≅AD i ∠B'AD= α, važi R(B')=D, odnosno P(B)=D. Neka je E=R(C'), odnosno E=P(C). Tada je trougao ADE slika trougla ABC u transformaciji P, pa su ti trouglovi slični sa koeficijentom sličnosti k. Na osnovu toga je: ∠EDC=∠EDA+∠ADC=∠CBA+∠ADC=180° , pa su tačke E, D, C kolinearne. Duž ED možemo konstruisati jer je: ED=C' B' =

CB ⋅ AB' CB ⋅ AD b ⋅ d = = . AB AB a

Nakon konstrukcije tačaka C, D, E može se konstruisati i tačka A, jer je: AE AC' = = k, AC AC pa tačka A pripada odgovarajućem Apolonijevom krugu za tačke E i C, kao i krugu k(D,a).

8.63 Neka je p prava koja sadrži tačku P i seče krugove k i l u tačkama A,

r B i C, D pri čemu je AB≅CD. Neka je v vektor određen središtima duži AB i CD. Tada se krug k translacijom τ vr preslikava u krug k' koji sadrži tačke C i D. Dakle krugovi k' i l seku se u tačkama C i D. Jasno je da se r konstrukcija prave p svodi na konstrukciju vektora v , odnosno tačke O'= τ vr (O), centra kruga k'. Prava određena centrima S i O' krugova l i k'

Rešenja zadataka

249

r upravna je na njihovoj zajedničkoj tetivi CD. Tada iz OO'= v ||p sledi ∠OO'S=90°. Dakle, tačka O' pripada krugu nad prečnikom OS. Tačka P pripada potencijalnoj osi p, krugova k' i l. Na osnovu toga je PL≅PK, gde su PL i PK tangente krugova l i k' u tačkama L i K. Ako sa r označimo poluprečnik kruga k biće:

PO'2 = PK2 + KO'2 = PL2 + r2 .

Dakle, možemo konstruisati duž d, podudarnu duži PO', pa tačka O' pripada preseku kruga sa centrom P, poluprečnika d, i kruga nad prečnikom OS. S

l L

A

B

S C

C

P

D p

P k

Q

R

C'

O'

O

B

A

B' k'

K zad. 8.63

A' zad. 8.64

8.64. Primenimo Menelajevu teoremu u odnosu na trouglove SA'B', SA'C', SB'C'. Tada je: SA A' R B ' B ⋅ ⋅ = −1 , AA' RB' BS

SA A' Q C ' C SC C ' P B' B ⋅ ⋅ = −1 , ⋅ ⋅ = −1 . AA' QC ' CS CC ' PB' BS

A' Q C ' P B' R ⋅ ⋅ = −1 , pa su prema obratnoj QC ' PB' RA' Menelajevoj teoremi u odnosu na trougao A'B'C' tačke P, Q, R kolinearne.

Iz prethodne tri relacije sledi

8.65. Primeniti Dezargovu teoremu (v. zad 8.64) na trouglove ABC i A'B'C'.

250

Rešenja zadataka

8.66. Neka je PQR trougao čija S temena P, Q, R pripadaju pravama p, q, r a strane QR, PR, PQ sadrže tačke R P' A, B, C redom. Sa S označimo B R' zajedničku tačku pravih p, q, r. P Ako je P'Q'R' proizvoljan A Q' trougao čija temena pripadaju C r Z Q pravama p, q, r, i čije strane R'Q' i s R'P' sadrže tačke A i B (dakle p q "zaboravljen" je uslov vezan za tačku zad. 8.66 C), tada su, prema Dezargovoj teoremi (v. zad. 8.64), tačke A, B, Z=PQ∩P'Q' kolinearne i pripadaju nekoj pravoj s. Trougao PQR sada možemo konstruisati, ako najpre konstruišemo pomoćni trougao P'Q'R', kod koga je tačka R' proizvoljna. Zatim konstruišemo tačku Z kao presečnu tačku pravih AB i P'Q', čime je određena prava PQ. 8.67. Neka je L=AE∩BF, M=AE∩CD, N=CD∩BF. Primenimo tri puta Menelajevu teoremu na trougao LMN i prave BD, AF, CE. Tada je: LX MD NB ⋅ ⋅ = −1 , XM DN BL LA MY NF ⋅ ⋅ = −1 , AM YN FL LE MC NZ ⋅ ⋅ = −1 . EM CN ZL Na osnovu potencije tačaka M, N, L u odnosu na krug k je dalje: MC ⋅ MD = MA ⋅ ME , NC ⋅ ND = NF ⋅ NB , LA ⋅ LE = LB ⋅ LF .

L B A

C

X

N M

Y

k Z

D

p F

E zad. 8.67

LX MY NZ ⋅ ⋅ = −1 , pa su prema XM YN ZL obratnoj Menelajevoj teoremi tačke X, Y, Z kolinearne. Iz prethodnih šest relacija sledi da je i

Rešenja zadataka

251

Glava IX 9.4. Sa O označimo centar a sa r poluprečnik kruga k.

T l

⇐. Ako je k=l, tvrđenje je trivijalno. Neka O X su k i l upravni; sa T označimo jednu X' njihovu presečnu tačku. Tada je prava OT k tangenta kruga l. Neka je X proizvoljna tačka kruga l i X' druga presečna tačka tog kruga sa polupravom zad. 9.4 OX. Tada je: p(O,l)=OX ⋅ OX' = OT 2 = r 2 , pa je ψk(X)=X'∈l. Analogno je svaka tačka

Y, kruga l, slika neke tačke tog kruga, pa važi ψk(l)=l. ⇒. Neka je ψk(l)=l. Ako je l≠k, tada postoji tačka X na krugu l koja ne pripada krugu k. Neka je X'=ψk(X)∈l. Na osnovu definicije inverzije, tačke X i X' su na polupravoj sa početnom tačkom O, pa je O spoljašnja tačka kruga l. Dakle, postoji tangenta iz tačke O na krug l; sa T označimo dodirnu tačku te tangente sa tim krugom. Tada je: p(O,l)=OT 2 = OX ⋅ OX' = r2 ,

pa tačka T pripada krugu k. Na osnovu toga su krugovi k i l upravni.

9.5. Dokazati pomoćno tvrđenje: ako su A, B, C, D četiri razne kolinearne tačke i O središte duži AB, tada je H(A,B;C,D) akko je OC ⋅ OD = OB2 . 9.11. Primeniti inverziju u odnosu na krug sa centrom u tački A i primer 1 iz odeljka 9.1.

9.12. Koristiti inverziju

ψk,

u odnosu na krug k(B,p) kojom se tačka A'

preslikava u tačku C.

9.19. Koristiti inverziju

ψi,

gde je i proizvoljan krug sa centrom A. Konstrukcija traženog kruga x svodi se tada na konstrukciju prave x'=ψi(x) koja dodiruje krug p'=ψi(p), a krug k'=ψi(k) seče pod uglom ω.

9.20. Neka je i krug sa centrom u P, proizvoljnog poluprečnika r, i

ψi

inverzija u odnosu na taj krug koja tačke A, B, C preslikava u tačke A', B', C'. Tada je, na osnovu primera iz odeljka 9.1:

252

Rešenja zadataka

r2 A' B' = AB PA ⋅ PB r2 B' C' = BC PB ⋅ PC r2 A' C' = AC PA ⋅ PC

A

k

i

B A' C'

B' P

C

Kako je trougao ABC pravilan, iz prethodne tri relacije zaključujemo da je:

zad. 9.20

A'B':B'C':A'C'=PC:PA:PB. Sada možemo preći na dokaz tražene ekvivalencije: P∉k akko ψi(k) predstavlja krug akko su tačke A', B', C' nekolinearne akko duži A'B', B'C', A'C' predstavljaju ivice nekog trougla akko duži PC, PA, PB predstavljaju ivice nekog trougla.

9.22. Primeniti inverziju u odnosu na krug sa centrom u tački A. Tada se zadatak svodi na primer 1 iz odeljka 5.4. 9.23. Neka je i krug

i

…

c2

cn sa centrom u tački P, c1 koji je upravan na a krugu cn (krug i b b' a' sadrži dodirne tačke c0 c'1 tangenti iz tačke P na c'0 krug cn). Inverzijom l Q' R' P R Q ψi u odnosu na taj zad. 9.23 krug se prava l=PQ i krugovi a i b preslikavaju u prave l', a', b'; pri čemu su prave a' i b' upravne na pravoj l', budući da je inverzija konformno preslikavanje. Krugovi c0, c1, c2, ..., cn, ... preslikavaju se u podudarne krugove c'0, c'1, c'2, ..., c'n, ... , koji dodiruju paralelne prave a', b', a svi su podudarni krugu cn, jer je c'n=cn. Dalje centar kruga c0 pripada pravoj l, pa je rastojanje centra kruga cn=c'n od te prave n puta veće od poluprečnika tog kruga.

Rešenja zadataka

253

9.25. Neka su P i Pa dodirne A tačke upisanog kruga k i spolja upisanog kruga ka trougla ABC C B1 sa ivicom BC. Ojlerov krug e e' tog trougla sadrži središta A1, e k B1, C1 odgovarajućih ivica i PE C podnožje visine A' iz temena B A1 Pa A' ka A. Tačka A1 je središte duži i PPa (v. zad. 5.63 (vi)). Inverzijom ψi u odnosu na krug i(A1,A1P), krugovi k i ka se preslikavaju u sebe jer su normalni na krug i (v. zad. zad. 9.25 9.4). Krug l sadrži centar inverzije, pa se tom inverzijom preslikava u neku pravu e'. Ostaje nam da dokažemo da prava e' dodiruje krugove k i ka. Prava e' sadrži tačku ψi(A')=E, koja predstavlja presek bisektrise unutrašnjeg ugla kod temena A sa ivicom BC trougla ABC (v. zad. 9.5 i zad. 11.21 (iii)), a takođe i tačke ψi(B1)=B'1 i ψi(C1)=C'1. Trougao A1B1C1 je sličan sa trouglom A1C'1B'1. Na osnovu toga prava e' sa pravom AB određuje ugao ACB, pa, kako pravu BC seče u tački E koja pripada bisektrisi ugla BAC, predstavlja drugu zajedničku tangentu krugova k i ka. 9.26. Koristiti primer 2 iz odeljka 8.6 i zad. 9.20. Glava XI 11.14. Iskoristiti teoremu (i) iz odeljka 4.4. 11.15. Trouglovi A3k B3kC3k , gde k∈N su slični sa trouglom ABC. 11.16. Neka je L=AB1∩BC1, M=AB1∩CA1, N=CA1∩BC1. Primenimo pet puta Menelajevu teoremu na trougao LMN i prave BA1, AC1, CB1, AB, A1B1:

254

Rešenja zadataka

L

LZ MA1 NB ⋅ ⋅ = −1 , ZM A1 N BL LA MY NC1 ⋅ ⋅ = −1 , AM YN C1L LB1 MC NX ⋅ ⋅ = −1 , B1M CN XL

C B

A p Z

N M

Y

X

p1 A1

LA MC NB ⋅ ⋅ = −1 , AM CN BL

B1 zad.

C1

LB1 MA1 NC1 ⋅ ⋅ = −1 . B1M A1 N C1L Iz prethodnih pet relacija (množeći prve tri, a zatim zamenjujući četvrtu i petu) sledi da je i: LZ MY NX ⋅ ⋅ = −1 , ZM YN XL pa su prema obratnoj Menelajevoj teoremi tačke X, Y, Z kolinearne. Napomena: Uporediti iskaz i dokaz prethodne teoreme sa Paskalovom teoremom (v. zad. 8.67)

11.17. U slučaju kada se prave AB i A1B1 seku primeniti dva puta Talesovu teoremu i jednom obratnu Talesovu teoremu. Slučaj kada su prave AB i A1B1 paralelne je jednostavan.

11.21. Koristiti primer iz odeljka 8.5, kao i činjenicu da se normalnim projektovanjem "čuva" relacija harmonijske spregnutosti parova tačaka. 11.23. Koristiti zad.: 5.63, 11.21, 11.19 i 11.22. 11.24. U slučaju kada ima rešenja, centar traženog kruga pripada potencijalnoj osi datih krugova.

Rešenja zadataka

255

n

A

I

C

DB

i

p

J

C' A'

J'

p'=p

k

l'

l

k' n'

zad.

11.26. Neka je p prava određena centrima krugova k i l; ta prava je tada upravna na tim krugovima. Na osnovu zad. 11.24, postoji krug n sa centrom na pravoj p koji je upravan na krugovima k i l. Kako je centar kruga n na pravoj p, to je i krug n normalan na pravoj p. Sa I i J, označimo preseke kruga n, sa pravom p. Neka je i proizvoljan krug sa centrom I i ψi inverzija u odnosu na taj krug. Kako inverzija "čuva" uglove, sa ψi se prava p i krug n (bez tačke I) slikaju u dve upravne prave p'=p i n' a krugovi k i l u krugove k' i l' koji su upravni na tim pravama, pa su krugovi k' i l' koncetrični. k

l'

a2

a1

a2 a1

l an

k'

an '

zad.

11.27. Primeniti zad. 11.26, i svesti tvrđenje na trivijalan slučaj kada su krugovi k i l koncentrični. n m

11.30. Koristiti homotetiju sa centrom S i koeficijentom − . 11.38. Ako je P'=SOA(P), izračunati ugao P'XQ. 11.39. Neka su A1, A2, ... , An tačke sa datim svojstvima. Sa ki (i∈{1,2,...,n}) označimo krugove sa centrima Ai, poluprečnika r. Neka su Ap, Aq, Al proizvoljne tačke iz skupa tačaka {A1, A2, ..., An}. Tada, po pretpostavci, postoji krug sa centrom O poluprečnika r, takav da su Ap, Aq, Al tačke odgovarajuće kružne površi. Na osnovu toga je OAp, OAq,

256

Rešenja zadataka

OAl ≤ r, pa tačka O pripada kružnim površima kp, kq, kl. Dakle, svake tri od kružnih površi k1, k2, ..., kn se seku. Kako su kružne površi konveksne figure, na osnovu Helijeve teoreme (v. zad. 2.29), postoji tačka S koja pripada svim kružnim površima k1, k2, ..., kn. Tada je k(S,r) traženi krug, jer je SA1, SA2, ..., SAn ≤ r.

11.40. Na osnovu zad. 11.39, dovoljno je dokazati da za svake tri tačke, od tih n tačaka, postoji odgovarajući krug.

11.43. Koristiti zad. 7.30. 11.47. U slučaju kada je m=-n traženi skup tačaka je prava (v. lemu iz odeljka 8.7). U slučaju m≠n, primeniti Stjuartovu teoremu, na trougao AXB. Traženi skup tačaka je tada krug, sa centrom S, gde je S tačka za koju je AS : SB = n : m .

11.48. (i) Videti rešenje zad. 8.62.

C

(ii) Neka su P i Q središta ivica BC=b i AD=d četvorougla ABCD, pri čemu je PQ=l, AB=a, CD=c. Sa S označimo središte dijagonale AC. Trougao PSQ moguće je konstruisati, jer je: c a PS = , QS = . 2 2

D

kb kd

S Q l

P kd

B

A zad. b

d

2

2

Kako je C=SS(A), tačka C pripada krugu kb (Q, ) , i slici kd' kruga kd (P, ) u centralnoj simetriji SS.

11.49. Primeniti Ptolomejevu teoremu, više puta. Uporediti zadatak sa primerom 2 iz odeljka 8.6. P

11.51. Na osnovu Menelajeve teoreme, primenjene na trougao ABP i pravu QS, možemo zaključiti da je: AD BS PQ ⋅ ⋅ = −1 . DB SP QA

Q S R A

Analogno, primenom Čevaove teoreme na isti trougao i tačku R dobijamo:

C zad.

B

D

Rešenja zadataka

257

AC BS PQ ⋅ ⋅ = 1. CB SP QA

AC AD =− , tj. H(A,B;C,D). CB DB 11.62. Neka je L presečna tačka pravih PR i SQ. Luk PQ (na kome je tačka B) je odgovarajući za periferijski ugao PSL, pa je taj ugao jednak polovini centralnog ugla koji određuje taj luk, odnosno četvrtini centralnog ugla koji određuje luk AC na kome je tačka B. Analogno, periferijski ugao SPL jednak je četvrtini centralnog ugla koji određuje luk AC na kome je tačka D. Dakle, zbir uglova PSL i SPL jednak je četvrtini centralnog ugla od 360o, pa je, u trouglu SPL, ugao kod temena L prav. Iz prethodne dve relacije sledi

D

D

N

R P

S

SB L C

A

SC

SA

Q P

B zad.

C

A SD M

Q

B zad.

11.63. Neka su M, Q, N, P središta lukova AB, BC, CD, DA kruga opisanog oko četvorougla ABCD, na kojima nisu preostala temena tog četvorougla. Tada poluprave AN, CP, BN, DQ bisektrise odgovarajućih periferijskih uglova (v. primer 1 iz odeljka 5.2). Na osnovu toga je SB=AN∩CP i SA=BN∩DQ Takođe je iz trouglova ACD i BCD ND=NSB=NC i ND=NSA=NC (v. zad. 5.35), pa je NSB=NSA, a kako je NM bisektrisa ugla ANB (jer je M središte luka AB) odnosno ugla SBNSA, NM je ujedno simetrala duži SBSA. Analogno, prava NM je simetrala i duži SCSD, a prava PQ zajednička simetrala i duži SCSB, i SASD. Prave MN i PQ su upravne (v. zad. 11.62), pa je četvorougao SASBSCSD zaista pravougaonik.

258

Rešenja zadataka

11.65. Ako je

transformacija sličnosti koja predstavlja kompoziciju rotacije i homotetije: P = HA, k o R A, 45°,

D

P

C=B' B1

gde je k= 2 , tada važi P(B)=C, pa C∈c∩P(b).

c

A

11.66. Kako je po pretpostavci

B b

b1

zad.

b

AM≅CN, iz podudarnosti odgovarajućih dijagonala sledi CM≅EN. Tada, na osnovu BC≅DE i ∠BCM≅∠DEN= 30°, sledi podudarnost trouglova BCM i DEN a zatim: ∠BCM≅∠DEN=ϕ. Tada je: ∠BND=∠CND+∠BNC =(180° -ϕ)+(ϕ- 60°)=120° . Neka je O centar pravilnog šestougla ABCDEF, i k krug k(C,CB). Tada tačke O i D pripadaju tom krugu i važi ∠BOD=120° . Dakle, sada je ∠BOD≅∠BOD, pa i tačka N pripada krugu k, na osnovu čega sledi CN≅CB. F

E

O

A

A

N ϕ D

ϕ

X C

zad.

Y1

Z1

M

B

Y'

V

Z'

C

B zad.

11.70. Neka su X i V preseci odgovarajućih trisektrisa uglova kod temena B i C trougla ABC, pri čemu je X unutrašnja tačka trougla BVC. Neka su dalje, Z1 i Y1 tačke trisektrisa BV i CV, takve da je ∠Z1XV=∠VXY1= 30°. Tačka X je centar upisanog kruga trougla BVC, pa je poluprava VX bisektrisa ugla BVC. Sada iz podudarnosti trouglova VXZ1 i VXY1 sledi XZ1≅XY1, pa kako je ∠Z1XY1= 60°, trougao XY1Z1 je pravilan. Ostaje nam da dokažemo da je Y=Y1 i Z=Z1, odnosno da tačke Y1 i Z1 pripadaju trisektrisama ugla kod temena A. Neka su Z' i Y' tačke na

Rešenja zadataka

259

ivicama AB i AC trougla ABC, takve da je BZ'≅BX i CY'≅CX. Trouglovi BZ'Z1 i BXZ1 su podudarni, pa je Z'Z1≅XZ1. Analogno je i Y'Y1≅XY1, pa na osnovu toga važi Z'Z1≅Z1Y1≅Y1Y'. Označimo sa 3α, 3β, 3γ uglove kod temena A, B, C trougla ABC. Posle izračunavanja dobijamo da je: ∠Z'Z1Y1=∠Z'Z1U+∠UZ1Y1=...= 60°+2∠UZ1Y1=...=180° -2α. analogno je i ∠Y'Y1Z1=180° -2α, pa, na osnovu zad. 11.69, sledi: ∠Z'AZ1=∠Z1AY1=∠Y1A Y'= α, što je trebalo dokazati.

11.81. Neka su X', X" i Y', Y" podnožja upravnih iz tačaka X i Y na tetivama AB i CD. Sa x i y označimo duži SX i SY. Primenom Talesove teoreme je: x XX' XX" = = . y YY' YY"

Koristeći poslednje jednakosti, a zatim sličnost trouglova AXX' i CYY", kao i trouglova DXX" i BYY' i konačno potencije tačaka X i Y u odnosu na krug k dobijamo: x2 XX' XX" XX' XX" AX DX ⋅ = ⋅ = ⋅ 2 = y YY' YY" YY" YY' CY BY =

XP ⋅ XQ (PS − x)(PS + x) PS2 − x2 = = . YP ⋅ YQ (PS + y)(PS − y) PS2 − y2

Sada iz

x2 PS2 − x2 sledi x=y. = y2 PS2 − y2 D

P

X

Y' X" " y x S X' Y"

B Ti Y

ti

Q k

O

ti'

Ai Ti

A

k' k l C zad. 11.81

zad.

S

Bi

260

Rešenja zadataka

11.82. Prečnik kruga cn je dužine

1 . (n + 1)(n + 2)

11.85. Primeniti Stjuartovu teoremu (ili direktno zad. 8.7.5). ψl inverzija u odnosu na krug l. Tada se prave ti tom inverzijom preslikavaju u krugove ti' opisane oko trouglova SAiBi (bez tačke S). Kako prave ti dodiruju krug k, krugovi ti' dodiruju krug k'=ψl(k).

11.87. Neka je

11.90. Neka su X, Y, Z podnožja upravnih iz te tačke na pravama BC, AC, AB. četvorougao PYXC je tetivan, pa je ∠YXP≅∠ACP. Kao uglovi nad tetivom AP, podudarni su i uglovi ACP i APAP, pa je na osnovu toga ∠YXP≅∠APAP, odnosno XY||APA. Q Z

P

P

A

A

Y

O

X

B

C

B

PA zad.

X

Y

PA

QA zad.

C p

q

11.91. Neka su X i Y podnožja normala iz tačaka P i Q na pravoj BC, i PA, QA presečne tačke tih normala sa krugom k. Simpsonove prave p i q paralelne su redom sa pravama APA i AQA (v. zad. 11.90). Dakle, ugao koji određuju prave p i q podudaran je periferijskom uglu QAAPA, a poslednji je jednak polovini centralnog ugla QAOPA, odnosno ugla QOP (jer je trapez PPAQAQ jednakokraki, pa je PQ≅PAQA).

11.92. Neka su PA i X tačke definisane kao u prethodnom zadatku (v. zad. 11.91). Neka su H', P' tačke simetrične tačkama H i P u odnosu na pravu BC. Tačka H' pripada krugu k opisanom oko trougla ABC (v. zad. 5.14). Tada je: ∠HP'P≅∠H'PP'≅∠AH'P≅∠APAP≅∠p,P'P

Rešenja zadataka

261

Poslednja podudarnost sledi na osnovu zad. 11.90. Dakle, ∠HP'P≅∠p,P'P, pa su prave HP' i p paralelne. Kako je tačka X središte duži PP', prava p sadrži srednju liniju trougla PHP', pa onda i središte ivice PH.

11.93. Prve p i q su upravne na osnovu zad. 11.91. Neka je k(O,R) krug opisan oko trougla ABC, H ortocentar i P1, Q1 središta duži HP i HQ. Tačke P1 i Q1 pripadaju redom pravama p i q (v. zad. 11.92). Dakle, P1Q1 je srednja linija trougla PHQ, a O je središte prečnika PQ, pa presečna tačka pravih P1Q1 i HO, tačka E, predstavlja zajedničko središte duži HO i P1Q1. Tada je tačka E centar Ojlerovog kruga e sa prečnikom R (v. primer 3. iz 8.3). Dalje je P1Q1 prečnik kruga e, jer je E središte duži P1Q1, a P1Q1=PQ/2=R. Prave p i q su upravne, pa njihova presečna tačka pripada krugu e. P

A

P

A S

k

H

H X

B H '

C PA

B p

E

P'

O

C

Q1 Q

zad. 11.92

q

P1

e

p

zad. 11.93

11.94. Iskoristiti zad. 11.14. 11.100. Neka su m i n medijatrise duži AB i CD. Razmotrićemo dva slučaja: 1) Ako se prave m i n seku u tački O, traženi krugovi su k(O,OA) i l(O,OC); oni su koncetrični i po pretpostavci različiti.

262

Rešenja zadataka

2) Ako su prave m i n paralelne, tada su paralelne i n l prave AB i CD (i po n D pretpostavci različite). Sa p D C k označimo pravu paralelnu sa l C O M AB i CD takvu da su AB i p A N CD sa raznih strana prave p. A B m Ako su M i N (M≠N) B k m presečne tačke pravih m i n zad. sa pravom p, traženi krugovi su opisani oko trouglova ABM i CDN, jer su sa raznih strana prave p. Ako je M=N tj. m=n, traženi krugovi su su k(M,MA) i l(M,MC).

11.101. Neka je: T = SC o S A',α o R B o S A,−α . 0

0

Kako je zbir odgovarajućih uglova rotacija jednak 360° , a T(C)=C, mora biti T=E. Koristeći to, kao i teoremu o transmutaciji, dobijamo: E = SC0 o (S A0 o R A,α o S A0 ) o S B0 o R A,− α , a zatim: E = τ 2A0C0 o R A,α o τ 2B0 A0 o R A,− α , odnosno:

τ 2A0C0 = R A,α o τ 2A0 B0 o R A,−α = R A,α o τ 2A0 B0 o R A−,1α = τ 2A0 ' B0 ' ,

gde je A0'=RA,α(A0), B0'=RA,α(B0). Dakle 2 A0C0 = 2 A0 ' B0 ' , a rotacijom RA,α se vektor A0 B0 preslikava u vektor A0 ' B0 ' , pa je A0B0≅A0'B0'≅A0C0 i

∠B0A0C0=∠A0B0,A0C0=∠A0B0,A0'B0'=α. C' C B0'

B'

C A' A

B0

A0' A zad. 11.101

11.102. Iskoristiti zad. 11.101.

B

Rešenja zadataka

263

11.103. Konstruisati centar traženog kruga u preseku dva odgovarajuća geometrijska mesta tačaka ("zaboravljajući" po jedan uslov). Prvo geometrijsko mesto tačaka određeno je iz uslova da je traženi krug normalan na dva data kruga, a drugo iz uslova da je traženi krug normalan na jedan dati krug, a drugi seče u dijametrelno suprotnim tačkama.

11.104. Neka je P0 položaj tačke P u

P0' li

trenutku kada ona pripada krugu k. U trenutku kada je tačka P u položaju Pi, krug l (u položaju li) dodiruje krug k u tački Ti. Kako se radi o "kretanju bez klizanja", dužine lukova P0Ti i PiTi su jednake. Poluprečnik kruga k je dva puta veći od poluprečnika kruga l pa, zbog prethodnog, mora biti:

Si

Ti

O k

Pi P zad.

∠TiSiPi=2∠TiOP0. Međutim, ∠TiOPi je odgovarajući periferijski ugao kruga l, pa je: 2∠TiOPi=∠TiSiPi=2∠TiOP0. Dakle, tačka Pi je kolinearna sa tačkama O i P0, pa je tražena putanja tačke P, prečnik P0P0' (P0'=SO(P0)) kruga k.

11.105. Koristiti inverziju u odnosu na krug sa centrom S i poluprečnikom ST. 11.109. (i) Na sličan način kao u zad. 7.33 dokazujemo da je i trougao P'Q'R' pravilan. (ii) Iz ∠BCP'≅∠ACQ=30 , sledi: ∠BCA≅∠P'CQ.

A

Q

o

3 3 pa su trouglovi ABC i QP'C zaista slični sa koeficijentom 3 sličnosti . Analogno 3 dokazujemo i da su trouglovi ABC i RBP' slični sa istim

Takođe je CQ:CA=CP':CB=

R

P'

R'

B

Y

Q'

A1 P

zad.

C

264

Rešenja zadataka

koeficijentom sličnosti, pa su trouglovi QP'C i RBP' podudarni. (iii) Iz podudarnosti trouglova QP'C i RBP' sledi: QP'≅RB≅RA i P'R≅CQ≅QA, pa je četvorougao ARP'Q paralelogram. Analogno dokazujemo i da je četvorougao CP'RQ' paralelogram. (iv) YA1 je srednja linija trougla RPP', pa je: YA1 =

1 1 RP' = AQ . 2 2

11.110. Težišna duž AA1 trougla ABC i QY težišna duž trougla PQR seku se u tački koja ih deli u odnosu 2:1 (v. zad. 11.109 (iv)), pa ta tačka predstavlja zajedničko težište trouglova ABC i PQR. Analogno se dokazuje i da trouglovi ABC i P'Q'R' imaju zajedničko težište.

11.111. Neka je ABCD proizvoljni četvorougao neke ravni sa unutrašnjim D uglovima α, β, γ, δ i neka A" δ γ C su O, S središta njegovih S α β Bγ ivica AB i BC. Centralnim D" A O α δ simetrijama SO i SS, taj četvorougao preslikava se C' D' u četvorouglove BAC'D' i E A"CBD", pri čemu je zad. ∠ABD'≅α i ∠CBD"≅γ. Na osnovu toga je ∠D'BD"≅δ, pa, kako je BD'≅AD i BD"≅CD, postoji tačka E, takva da su četvorouglovi D'ED"B i ABCD podudarni. Dakle, oko tačke B sustiče se četiri četvorougla, od kojih je svaki podudaran četvorouglu ABCD. Sada se postupak "prekrivanja" ravni može nastaviti, tako što koristimo centralne simetrije u odnosu na središta ivica novonastalih četvorouglova.

11.112. Primeniti inverziju u odnosu na proizvoljan krug sa centrom u tački A.

11.114. Primeniti zad. 11.9. i 11.79.

Indeks Adler, A. 133 Ajnštajn, A. 7 aksioma 3 - Dedekindova 23 - Lobačevskog 24 - Pašova 12 - Plejferova 24 Apolonijev krug 181 Apolonijevi problemi o dodiru krugova 208 Arhimed 71, 188, 213

centralna simetrija 132 centralno odstojanje tetive 83 četvorougao - tangentni 89 - tetivni 91 - Lambertov 5 - Sakerijev 5 Čevaova teorema 165 deduktivni metod 1 definicija 2 deltoid 90 Dezargova teorema 179 diedar 102 dijagonala 13 dokaz 3 duž 12 dvorazmera duži 152

Belati, Đ. 161 bisektrisa ugla 40 Boljaj, J. 6 Brahmagupta 109 Brijanšon, Š. Ž. 66, 201 centar - homotetije 172 - kruga 22 - opisanog kruga trougla 54 - upisanog kruga trougla 54, 56 - pravilnog trougla 58 - rotacije 128 - simetrije 132

ekscentrični krugovi 85 elementarne konstrukcije 110 Erdeš, P. 64 Euklid 4, 20, 21, 44, 50 euklidski(a) prostor, ravan, prava 22

265

266

Fagnanov problem 142 Fejer, L. 142 Ferma, P. 110, 189 figura 7 - konveksna 14 - ograničena 145 - osnosimetrična 123 - centralnosimetrična 133 fiksne tačke 31 Fojerbahove tačke 189 Galaj, T. 64 Galoa, E. 30, 110 Gaus, C. F. 110 geometrija - afina 49, 65 - apsolutna 22 - euklidska 5, 6, 21 - Lobačevskog (hiperbolička) 5, 6, 21 - projektivna 179, 220 - Rimanova (eliptička) 22 geometrijska sredina dve duži 153 grupa 30, 110 - izometrija 30, 213 - simetrija 144, 146 - diedarska 144, 146 - ciklična 144, 146 - Abelova 67 - Klajnova 214 - translacija 214 - homotetija sa istim centrom 156

Indeks

Hamiltonova teorema 80 harmonijska četvorka tačaka 152, 161 Helijeva teorema 27 Heron 124 Hilbert, D. 6, 11 Hiparh 191 hipotenuza 53 Hjelmslev, J. T. 146 homotetija 153 Horner, V. Dž. 226 incidencija 8 induktivni metod 1 invarijantne tačke 31 inverzija 182 inverzna - izometrija 30 - transformacija sličnosti 158 inverzivna ravan 217 involucija 121 ivice - mnogougla 13 - trougla 13 između 7, 10 izometrija 29, 119 - direktna 119 - indirektna 119 jedinična duž 147 Jungova teorema 222 Karamata, J. 64 Karnoova teorema 226

Indeks

kateta 53 Kepler, J. 63 koeficijent - homotetije 153 - transformacije sličnosti 157 - sličnosti 158 koincidencija 30 Kokseter, H. S. M. 64 kolinearne(i) - tačke 7 - vektori 66 komplanarne(i) - tačke 7 - vektori 67 - prave 7 kompozicija - izometrija 30 - transformacija sličnosti 158 koncentrični krugovi 85 konciklične tačke 94 konformna preslikavanja 185 konstrukcije - lenjirom i šestarom 109 - samo lenjirom (u projektivnoj geometriji) 179 - samo šestarom 118 - u afinoj geometriji 118 Kopernik, N. 228 kosinusna teorema 200 Košijeva teorema 100 kraci - ugla 15 - jednakokrakog trougla 41 - trapeza 49

267

krajnja tačka duži 12 krug 19, 83 - opisan oko trougla 54 - Ojlerov (Ponseleov) 59, 156 - upisan u trougao 56 - spolja upisan 61 - inverzije 182 - Tejlorov 227 kružnica 83 kvadrat 51 kvadratura kruga 110 Lajbnicova teorema 177 Lambert, J. H. 179 Lemoanova tačka 177 Lemus, D. K. L. 63 Leonardo da Vinči 146, 173 Ležandr, A. M. 5 linearna zavisnost vektora 77 Lobačevski, N. I. 5, 6, 21 Luilie, S. A. Ž. 99 luk 87 Magnus, L. 182 Maskeronijeve konstrukcije 118 medijatrisa duži 39 Menelaj 165, 191 Menelajeva teorema 165 mera - duži 147 - ugla 37 - vektora 75 Mikelova tačka 92 Mikelova teorema

268

o šest krugova 189 mimoilazne prave 9 mnogougao 13 množenje vektora - celim brojem 68 - racionalnim skalarom 72 - realnim skalarom 76 Mor, G. 118 Morlijeva teorema 225 Nagelova tačka 178 Napoleonov trougao 144, 229 naspramne ivice četvorougla 49 naspramni uglovi četvorougla 49 nejednakost trougla 47 normalna projekcija 104 normalnost - pravih 37 - krugova 85 - ravni 103 - prave i ravni 100 n-tougao 13 nula vektor 66 oblast 14 Ojler, L. 59, 156 Ojlerova formula 173 Ojlerova prava 80 Ojlerova teorema 226 orijentacija - trougla 16 - ravni 16 - ugla 16 orijentisani

Indeks

- trougao 16 - ugao 16 ortocentar 57 ortogonalnost - pravih 37 - krugova 85 - ravni 103 - prave i ravni 100 ortologički trouglovi 226 osa simetrije - figure 123 - osne refleksije 120 - klizajuće refleksije 138 osnova - jednakokrakog trougla 41 - trapeza 49 osnovne konstrukcije 109 Paskalova teorema 179 Papos 189, 220 Paposova teorema 220 paralelnost - pravih 22 - ravni 23 - prave i ravni 23 paralelogram 49 Peano, Đ. 11 peti Euklidov postulat 4 Pitagora 4, 39, 45, 63, 173 Pitagorina teorema 167 podela duži 77, 152 podudarnost - parova tačaka 7, 17 - n-torki tačaka 19 - figura 33

Indeks

- trouglova 39 Poenkare, A. 6, 63 pojmovi - osnovni 2 - izvedeni 2 poligon 13 poligonalna linija 13 poluprava 12 poluprečnik kruga 19 poluravan 14 Ponsele, Ž. V. 59, 156, 179, 220 potencija tačke 171 potencijalna osa 171 potencijalno središte 172 površ - trougaona 15 - kružna 83 - mnogougaona 16 površina trougla 199 pramen - pravih 126 - krugova 172 prava 7 pravac 23 pravac vektora 66 prave - paralelne 22 - mimoilazne 9 pravilan - n-tougao 52 - trougao 42, 52 pravilo - paralelograma 68 - nadovezivanja 67 - trougla 67

269

- poligona 68 pravougaonik 51 prečnik kruga 83 pretpostavljene teorije 3 proporcija duži 148 prostor 7 Ptolomej 166, 191 Ptolomejeva teorema 166 ravan 7 razmera - duži 148 - kolinearnih vektora 72, 76 refleksija - klizajuća 138 - osna 120 romb 51 rotacija 128 sa iste strane - tačke 12 - prave 14 sa raznih strana - tačke 12 - prave 14 sečica kruga 84 Silvesterov problem 64 simetrala - duži 39 - ugla 36 Simson, R. 95, 167 Simsonova prava 95, 227 sistem aksioma - neprotivrečan 3

270

- potpun 3 - minimalan 3 sistem merenja duži 147 sličnost - figura 158 - trouglova 159 središte duži - u euklidskoj geometriji 34 - u afinoj geometriji 72 srednja linija - trougla 52 - trapeza 53 stavovi o - podudarnosti trouglova 39 - sličnosti trouglova 159 Stjuartova teorema 167 suprotni vektor 66 susedne ivice četvorougla 49 susedni uglovi četvorougla 49 Šalova teorema 140 Šal-Hjelmsleva teorema 146 Štajner, J. 63, 170 Štajnerova teorema 221 Štajner-Lamusova lema 63 tačka 7 Tales 4, 39, 85, 159 Talesova teorema - spec. slučaj, u polju Q 73 - u vektorskom obliku, direktna i obratna 76 - u obliku razmere duži 148 tangenta kruga 55, 84 tangentne duži 89

Indeks

teme - ugla 15 - trougla 13 - mnogougla 13 teorema - o srednjoj liniji trougla 52 - o paralelogramu 50 - o tri normale 101 - Leonarda da Vinčija 146 - o leptiru 226 teselacija 63 tetiva kruga 83 težišna duž 56 težište - trougla 56 - figure 75 Toričelijeva tačka 99, 189 transformacija 29 - izometrijska 29 - sličnosti 157 translacija 135 transmutacija 122 trapez 49 trisekcija ugla 110 trisektrisa 225 trougao 13 - pravilan (jednakostraničan) 42, 52 - jednakokraki 41 - pravougli, oštrougli, tupougli 53 tvrđenja 2 - osnovna 3 - izvedena 3

Indeks

udvostručenje kocke 110 ugao 15 - opružen 15 - prav, oštar, tup 37 - centralni, periferijski 85 - diedra 103 - prave prema ravni 104 - mimoilaznih pravih 104 - između dve ravni 103 - između dva kruga 85 - rotacije 128 ugaona linija 12 uglovi - susedni 15 - naporedni 15 - unakrsni 15 - komplementni 37 - suplementni 37 - trougla 15, 45 - unutrašnji 45 - spoljašnji 45 - na transverzali 43 - suprotni, saglasni, naizmenični 44 - sa normalnim kracima 46 - sa paralelnim kracima 44 Vancel, P. L. 110 vektor 66 - translacije 135 - klizajuće refleksije 138 vektorski prostor - nad poljem Q 73 - nad poljem R 76 visina trougla 56

271

zajednička normala mimoilaznih pravih 106 zatvoreni sistem nadovezanih vektora 69 zbir - duži 35 - uglova 36 - vektora 67 - uglova trougla 45 zlatni presek 173 značajne tačke trougla 57 Žergonova tačka 168

272

Indeks

Literatura [1]

D. Lopandić, Geometrija za treći razred usmerenog obrazovanja, Naučna kjniga, Beograd 1979.

[2]

D. Lopandić, Zbirka zadataka iz osnova geometrije, PMF, Beograd 1971.

[3]

Z. Lučić, Euklidska i hiperbolička geometrija, Grafitti i Matematički fakultet, Beograd 1994.

[4]

H. S. M. Coxeter, S. L. Greitzer, Geometry Revisited, Random House, New York, 1967.

[5]

E. Stipanić, Putevima razvitka matematike, Vuk Karadžić, Beograd 1988.

[6]

J. Cofman, What to Solve?, Oxford University Press, Oxford, 1990.

[7]

R. Tošić, V. Petrović, Zbirka zadataka iz osnova geometrije, Građevinska knjiga, Novi Sad 1982.

[8]

V. Stojanović, Matematiskop III, Nauka, Beograd, 1988.

[9]

D. Hilbert, Osnove geometrije, Naučno delo, Beograd, 1957.

[10]

Euklid, Elementi, Naučna knjiga, Beograd, 1949.

[11]

V. V. Prasalov, Zadači po geometriji, Nauka, Moskva, 1986.

[12]

N. Čepinac, D. Janošević, Zbirka zadataka iz planimetrije, Znanje, Beograd, 1952.

[13]

M. Prvanović, Osnove geometrije, Građevinska knjiga, Beograd, 1987.

[14]

G. Martin, Transformation Geometry, Springer-Verlang, New York, 1982.

[15]

Dirk J. Struik, Kratak pregled istorije matematike, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, Beograd 1991.

272

Geometrija Za 1 Razred Matematicke Gimnazije

Recommend Documents